호킹복사 및 블랙홀의 증발에 관한 어떤 생각! 다듬어지지 않은 생각시리즈

호킹복사, 블랙홀의 증발, 블랙홀의 정보 역설에 관하여~

 

1.     호킹복사(Hawking Radiation)는 발생하지 않는다.

호킹복사에 대해서 많은 지식을 갖고 있진 못합니다. 시간의 역사에서 스티븐 호킹 박사가 설명한 내용과 WIKI에서 본 내용과, 기타 잡다하게 본 설명이 전부입니다.

 

따라서, 이러한 추측은 결함이 있을 수도 있습니다.

 

호킹복사 : http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation

 

 

http://100.naver.com/100.nhn?docid=379028ç짧은 한글 설명

 

http://blog.naver.com/bbblueee?Redirect=Log&logNo=120005521900

 

호킹복사의 기본 메커니즘은, 블랙홀의 사상의 지평면 바깥에서 불확정성 원리에 따라, 진공으로부터 +E –E를 가진 가상의 입자쌍이 탄생할 수 있고, 아직까지는 현실세계에서 –E를 가진 입자는 실 입자로서 관측된적이 없기에 가상의 입자로서만 존재하는 것으로 보는 것 같습니다.

 

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        시간의 역사 164p

       에너지는 무에서 창조될 수 없으므로 입자-반입자 쌍의 한쪽은 +의 에너지, 다른 쪽은 의 에너지를 가진다. – 에너지를 가진 입자는 오래살지 못할 가상적 입자의 숙명을 지닌다. 왜냐하면 보통 상태에서 실제 입자들은 +에너지를 가지고 있기 때문이다.

~

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호킹복사의 메커니즘은 사상의 지평면 바깥에서, 양의 에너지와 음의 에너지를 가진 가상의 입자의 쌍생성이 발생하는데, 이때 음의 에너지를 가진 가상의 입자가 블랙홀에 흡수된 반면, 양의 에너지를 가진 입자는 블랙홀로부터 멀어지게 되고, 이때 음의 에너지를 가진 가상의 입자가 음의 에너지를 가진 실입자(입자, 또는 반입자)로 변할 수 있고, 양의 에너지를 가상의 입자가 양의 에너지를 가진 실입자(입자, 또는 반입자)로 변할 수 있다고 합니다.

 

이것이 블랙홀 외부의 관찰자가 보기에 블랙홀이 음의 에너지를 흡수하고, 양의 에너지를 가진 입자를 방출하여 에너지를 잃는 것으로 보인다는 것입니다.

 

따라서, 이러한 메커니즘에 의해서 블랙홀이 증발할 수도 있다는 주장을 하였습니다.

 

그런데, 제 개인적인 이해가 부족해서일수도 있지만, 호킹복사의 메커니즘에서 가장 핵심적인 메커니즘이, 블랙홀의 사상의 지평면 바깥에서 쌍생성된 양의 에너지- 음의 에너지 쌍중에, 음의 에너지를 가진 가상적 입자만을 흡수하는 어떤 기작이 존재해야 하는데, 이부분의 내용이 조금 애매합니다.

블랙홀의 사상의 지평면 바깥에서 양의 에너지 및 음의 에너지가 쌍생성 되었을 때, 경우의 수

 

1.     양의 에너지를 가진 입자, 음의 에너지를 가진 입자 모두 블랙홀로 떨어진다. (o)

2.     양의 에너지를 가진 입자, 음의 에너지를 가진 입자 모두 블랙홀로부터 탈출하여 쌍소멸한다. (o)

3.     음의 에너지를 가진 입자는 블랙홀로 떨어지고, 양의 에너지를 가진 입자는 블랙홀로부터 탈출한다. (o)

4.     양의 에너지를 가진 입자는 블랙홀로 떨어지고, 음의 에너지를 가진 입자는 블랙홀로부터 탈출한다. (X)
* 위 4개의 경우에서 입자는 대상이라는 의미이며, 입자 일수도 반입자 일수도 있습니다.

 

호킹의 짧은 설명과, 기타 물리 사이트에서의 설명과정을 보면, 3번의 과정은 발생하지만, 4번의 과정은 발생하지 않는다는 입장이고, 이에 따라 블랙홀이 에너지를 잃는 과정이 존재한다는 설명입니다.

 

이 과정에서 가상의 입자쌍간의 쌍소멸을 허용하고, 가상의 입자가 실입자로 변화는 과정을 추가하는데, 이때 음의 에너지를 가진 가상의 입자가 통상적인 상황에서는 실입자로 변환되지 못하지만, 블랙홀의 사상의 지평면 내부에서는 강한 중력장의 영향으로 음의 에너지 상태가 존재할 수 있기에, 음의 에너지를 가진 가상의 입자가 단독으로 음의 에너지를 가진 실입자로 변할수 있다고 주장하고 있습니다. è실제 그러할지는 의문입니다.

 

4번의 과정 자체도 의문이고, 3번의 과정 자체도 의문으로 보입니다.

3번의 과정에서 입자-반입자쌍은 불확정성원리에 따라 매우 짧은 시간동안, 또는 매우 짧은 거리 동안 존재하는게 가능한데, 블랙홀의 강한 기조력(조석력)에 의해서 가상의 입자들의 경로가 바뀐다 하더라도, 이 지역 자체가 블랙홀의 사상의 지평면 바로 경계부분으로 한정되고, 이 지역자체가 법선방향의 속도가 거의 빛의 속도 C를 가져야만이 탈출이 가능한 영역이기 때문입니다.

 

, 쌍생성을 통해서 탄생한 음의 에너지를 가진 입자만 블랙홀로 떨어지는 방향이고, 양의 에너지를 가진 입자는 법선방향의 속도가 거의 c가 되야 하는 조건을 갖게 되는데, 질량을 가진 입자가 빛의 속도에 매우 근접한 속도를 갖어야 하는 경우, 운동량이나 에너지의 큰 불확정도를 요구하게 되고, 이는 역으로 위치와 시간의 작은 불확정도를 요구하게 됩니다.

 

그런데, 블랙홀의 기조력은 중력으로부터 나오기에, 이는 위치와 시간의 불확정도가 높을수록 더 큰 조석 효과가 발생할 것임을 시사합니다.

 

가령, 중력원으로부터 r방향으로의 거리차가 클수록 힘의 차이가 커지기에~

 

, 블랙홀의 음입자-양입자의 경로가 변하는 조건과(델타x), 3번과정에서 양입자만 블랙홀로부터 탈출하기 위해서, 양입자가 갖어야 하는 속도, 즉 운동량 및 이와 관련한 에너지값 간에 서로 반대의 특성을 갖는다는 점입니다. , 한쪽이 커지면, 다른 한쪽은 작아져야 하는 것으로 보입니다.

 

그런데, 결정적으로 위의 잡다한 논의와는 상관없이, 호킹이 추측했던 근본적인 사항이 제 가설에서는 다르게 나타나기 때문입니다.

 

호킹은 (4)번의 기작이 금지되는 이유로, 음의 에너지를 가진 가상의 입자가 블랙홀 바깥에서 실입자로 변환되지 않기 때문에 블랙홀이 양의 에너지를 가지는 입자는 흡수하고 음의 에너지를 가진 입자를 방출하는 과정은 존재하지 않는 것으로 설명하고 있습니다.

 

그런데, 저의 음의 질량 및 음의 에너지에 대한 가설은 음의 에너지를 가진 입자가 실입자로서 존재함을 시사하기에, 호킹의 추측과는 달리, 블랙홀이 음의 에너지를 가진 입자를 흡수하고, 양의 에너지를 가진 입자를 방출하는 과정과 함께, 그 반대과정인 양의 에너지를 가진 입자를 흡수하고, 음의 에너지를 가진 입자를 방출하는 과정이 동등하게 발생할 것임을 시사하기 때문입니다.

 

, 블랙홀의 사상의 지평면 바깥에서 양의 에너지와 음의 에너지의 쌍생성이 발생할 수 있지만, 이것이 무작위 적이기 때문에, 순 효과는 0 인 것으로 추측됩니다.

 

따라서, 저의 현재 추축은 호킹이 주장하는 호킹복사는 존재하지 않는 것으로 보인다입니다.

 

참고로, 지난 40여년간 호킹복사는 관측되지 않다가, 2010년에 호킹복사로 예측되는 현상이 발견되었다는 주장이 딱 한건 있었으나, 현재 이 실험은 재현되지 못하고 있고, 이에 따라 논란인 상태로 남아 있습니다.

 

 

2.     호킹복사 방식의 블랙홀의 증발은 없다

저의 음의 질량과 양의 질량의 쌍생성 모델에서, 호킹복사는 존재하지 않으므로, 호킹이 주장하는 형태의 블랙홀의 증발은 없는 것으로 보여집니다.

 

3.     음의 질량(에너지)에 의한 블랙홀의 증발

저는 블랙홀의 증발이 가능한 기작이 있다고 생각하며, 그것은 제가 주장하는 음의 질량(에너지)을 흡수함에 의해서 가능하다고 생각합니다.

 

블랙홀과 같은 거대 중력원은 오직 양의 질량, 양의 에너지를 가진 대상들이 만들수 있는 물리적 대상이고, 은하나 은하단이 형성되는 과정에서 주변의 음의 에너지를 이미 흡수하고 살아남은 구조가, 현재의 은하 및 은하단 구조이기에, 우주 초기에 쌍생성된 음의 에너지, 즉 음의 질량은 현재의 은하구조 바깥에 존재하고 있습니다.

 

만일, 블랙홀이 한 은하나 은하단 전체를 흡수한다면, 그 이후에는 은하구조 바깥에 있는 음의 질량들을 흡수하게 될 것이고, 이러한 메커니즘에 의해서 블랙홀의 증발이 발생할 수 있다고 생각합니다.

 

4.     블랙홀의 정보역설? 의 경우 음의 에너지와의 쌍소멸시에는 정보가 보존되지 않는 것으로 보인다.

호킹은, 이러한 호킹복사에 의해서 블랙홀이 증발할 경우, 블랙홀의 정보가 사라지는, 정보 역설을 주장했었고, 이에 대해 초끈이론 학자인 서스킨트를 비롯하여 다른 물리학자들은 블랙홀 증발의 경우에도 정보는 보존된다는 주장을 하였었습니다.

 

몇 년전에 호킹은 자신의 주장이 틀렸음을, 공식적으로 인정하였고, 이에 따라 블랙홀의 증발시에도 정보는 보존된다는 것이 공식적으로 인정받고 있습니다 .( http://news.dongascience.com/PHP/NewsView.php?kisaid=20040719200000000002&classcode=0106)

 

 

그런데, 이것은 좀더 엄밀히 말해서, [호킹 복사 방식으로 블랙홀이 증발할 때, 정보는 보존된다] 이런 의미로 저는 한정했으면 합니다.

 

이유는, 호킹복사 과정에서 블랙홀의 증발은 블랙홀이 갖고 있는 총 에너지 E 가 다른 입자 또는 호킹복사를 통하여 블랙홀 바깥으로 나오는, , 블랙홀 안의 +E의 에너지가, 블랙홀 바깥으로 그대로 이전되는 과정이기에, 이 과정에서 정보는 보존될 수 있다고 보여집니다.

 

그런데, 제가 주장하는 형태의 +E –E 를 만나서, 둘이 0로 사라지는 과정에서는, 총에너지가 완전히 0으로 가고, 이는 상태함수 자체가 없어지기에, 정보가 보존되지 않는 과정으로 보입니다.

 

다시 수식적으로 설명해 보면

 

호킹복사에 의한 블랙홀 증발

블랙홀의 에너지 : E_B

 
블랙홀의 사상의 지평면 바깥에서 입자, 반입자 쌍들이 생성되었다가, 그 중 –E를 가진 입자(대상)들만 블랙홀에 흡수되어 블랙홀은 증발하지만, 블랙홀 바깥에 입자, 반입자 쌍생성 과정에서 살아남은 입자들이 남아 있게 되고, 이 크기는 에너지보존법칙에 따라 정확히 블랙홀의 질량과 같다.

 

, 호킹복사에 의한 블랙홀의 증발은, 결국 블랙홀 내부에 있던 에너지가 블랙홀 외부로 전이되는 과정입니다.

 

음의 에너지에 의한 블랙홀 증발

 

음의 에너지에 의한 블랙홀의 증발은, 블랙홀의 에너지가 외부로 전이되는 게 아니라, 블랙홀의 에너지가 소멸되는 과정입니다.

 

       , 두과정은 좀 다르고, 따라서 음의 에너지에 의한 블랙홀의 증발시, 에너지가 사라지기 때문에, 상태함수도 사라지고, 엔트로피도 사라지며, 따라서 정보는 보존되지 않는것으로 보입니다.

 

       우리 우주가 제로 에너지로부터 우주가 탄생했다면, 마찬가지로, 세상의 모든 것들이 제로로 돌아갈 수도 있다는 의미로 해석하시면 될 듯 합니다.


덧글

  • Dancer 2011/12/30 00:15 #

    잠깐.. 제 기억이 혹시 맞다면..

    호킹복사에서 거론되는 입자 반입자의 쌍은
    둘다 "양의 질량을 가집니다"

    그래서 입자 쪽이든 반입자쪽이든 어느쪽이든 빠져나가면
    질량(=에너지)을 잃는다.. 고 가정된 걸로 기억합니다만..



    즉.. 일렉트론과 포지트론과 같은 관계인 입자 반입자쌍 인 것으로 기억합니다.
  • 이카루스2 2011/12/30 04:57 #

    감사합니다.
    제가 잘못 이해하고 있었던 부분이 있었고, 그래서 내용이 조금 부적절하게 기술된 부분이 있었네여~

    호킹의 설명에 의하면, 입자-반입자쌍이 두번 등장하는데,
    1.처음에, 무로부터 입자-반입자쌍이 탄생하고, 이때 둘다 가상적 입자입니다.
    입자-반입자쌍의 한쪽은 +에너지, 다른 한쪽은 –에너지를 가집니다.

    2. 양의 에너지를 가진 입자(여기서는 대상이라는 의미, 입자 일수도 반입자 일수도 있음.), 음의 에너지를 가진 입자(입자 일수도 반입자 일수도 있음)가 다시 실입자인 입자나 반입자로 변하는 과정이 존재합니다.


    ==== 인용===
    시간의 역사 164P
    에너지는 무에서 창조될 수 없으므로 입자-반입자 쌍의 한쪽은 +의 에너지, 다른쪽은 –의 에너지를 가진다. – 에너지를 가진 입자는 오래살지 못할 가상적 입자의 숙명을 지닌다. 왜냐하면 보통 상태에서 실제 입자들은 +에너지를 가지고 있기 때문이다.
    ~
    ===========

    처음에 탄생할때는 입자-반입자쌍이 한쪽은 양의 에너지, 한쪽은 음의 에너지를 가지고 탄생하고, 호킹복사에서 블랙홀이 음의 에너지는 흡수하고, 양의 에너지는 방출하는 과정이 존재하는데, 이때 양의 에너지가 양의 질량을 가진 입자 또는 반입자로 변합니다.
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