단 하나의 장소

아인슈타인이 상대성 이론을 발전시켰을 때, 텐서 미적분학이라 불리는 위압적인 형태의 수학을 이용하여 수학 문제를 푸는 데 약 10년이 걸렸다. 그는 단지 자신의 방정식에 대한 해답의 근사치를 할 수 있었을 뿐이고 수학은 여전히 최고의 과학적인 두뇌까지도 당황하게 한다. 하지만, 이 도전은 아인슈타인의 현대 천문학자들 중 한 명인 칼 슈바르츠실트라는 이론 물리학자를 단념시키는데 아무런 도움이 되지 않았다. 슈바르츠실트는 천성적으로 실용적인 개인이었다. 예를 들어 그는 스펙트럼을 연구하는 새로운 방법을 개척했다. 그러나 그는 이론적 개념을 다루는 능력에 뛰어났고 1915년 아인슈타인의 일반 상대성에 관한 기사가 발표되었을 때 슈바르츠실트는 그들의 중요성을 가장 먼저 인식한 사람 중 한 명이었다. 슈바르츠실트도 독일의 애국자였기 때문에 제1차 세계대전이 발발하자 천문학을 제쳐두고 군대에 입대했다. 아인슈타인의 논문을 읽을 무렵, 그는 이미 벨기에, 프랑스, 러시아 전선에서 행동을 보았다. 그럼에도 불구하고, 그는 일반 상대성 이론의 본질성에 끌렸고 그 방정식에 대한 정확한 답을 찾기 시작했다. 생명을 위협하는 질병에 걸려 집으로 보내져 요양한 지 두 달 만에 슈바르츠실트는 마침내 계산을 끝내는 데 집중할 수 있었다. 1916년 그가 죽기 직전, 슈바르츠실트는 그의 작품을 완성했고 같은 해 후반에 출판되었다. 아인슈타인 이론의 점 덩어리의 중력장에 대해 제목이 붙여진 그것은 현대 상대론적 연구의 한 축이 되었고 그 안에서 슈바르츠실트는 아인슈타인의 미완성 방정식에 대한 해결책을 제시했다. 유의적으로, 그것은 중력과 에너지에 대한 심각한 압축 물질의 영향에 대해 신뢰할 수 없는 것처럼 보이는 상황에 대한 지원을 제공했다. 아인슈타인이 그의 일반 상대성 이론을 썼을 때, 그는 중력을 묘사하는 새로운 방법을 발견했다. 그것은 아이작 뉴턴 경이 제안했던 것처럼 힘이 아니라, 공간과 시간의 왜곡의 결과로서 그의 이론에서 함께 '공간 시간'으로 착안했다. 아인슈타인에 따르면, 물질과 에너지는 공간과 시간의 배경 위에 존재한다고 한다. 공간적 차원은 세 가지(후진, 좌우, 상진)와 한 가지 시간 차원(초당 1초씩 흐른다)이 있다. 물체는 질량을 기준으로 시공간 구조를 왜곡한다. 보다 거대한 물체는 더 큰 영향을 미친다. 트램펄린 위에 놓인 볼링공이 그 직물을 늘여 보조개가 생기거나 처지게 하는 것처럼 행성과 별은 시공간에 뒤틀려 '지질 효과'로 알려진 현상이다. 트램펄린을 가로질러 굴러가는 대리석이 거침없이 볼링공을 향해 그려질 것이다. 따라서 태양 주위를 돌고 있는 행성들은 태양에 의해 당겨지지 않고 태양에 의해 야기된 곡선 공간 시간 변형을 따르고 있다. 이 행성들이 결코 태양에 떨어지지 않는 이유는 그들이 이동하는 속도 때문이다. '블랙홀'이라는 이름을 만든 천체물리학자 존 아치볼드 휠러는 "물질은 스페이스타임에 곡선을 그리는 법을 알려주고, 스페이스타임은 움직이는 법을 알려준다"고 간결하게 말했다. 슈바르츠실트는 물체의 표면으로부터의 탈출 속도는 물체의 질량과 반지름 모두에 달려 있다는 것을 깨달았다. 예를 들어, 지구의 탈출 속도는 초당 약 11.2km이다. 이것은 로켓이 달이나 더 먼 행성으로 가는 여행을 위해 지구를 출발하기 전에 도달해야 하는 속도다. 그러나 달의 탈출 속도는 초속 2.4km에 불과하다. 왜냐하면 달은 우리 행성의 4분의 1 크기이고 질량의 1%를 약간 넘는 크기 때문이다. 그러나 자연이 주어진 질량의 반경을 충분히 작게 만들 수 있다면, 탈출 속도는 빛의 속도, 즉 초당 30만 킬로미터(186,000 마일)에 도달할 때까지 증가할 것이다. 그 시점에서 물질도 방사능도 물체의 표면에서 빠져나올 수 없다. 또한 원자 또는 아원자력은 그 물체를 자신의 무게에 대항하여 지탱할 수 없게 된다. 따라서 물체는 극소수의 점으로 붕괴된다. 원래의 물체는 시야에서 사라지고 그 존재를 표시하기 위해 중력만 남게 된다. 그 결과, 그것은 시공간의 구조에 바닥이 없는 구덩이를 만들어낸다. 과학자들은 이제 부피는 0이지만 질량은 모두 특이점으로 언급하고 있다. 슈바르츠실트는 또한 특이점이 구면 중력 경계로 둘러싸여 있으며, 이 경계는 내면에 모험적인 어떤 것이든 영원히 갇혀 있다고 설명했다. 이 경계를 사건 지평선이라고 불렀다. 그는 사건 지평선의 크기를 계산할 수 있는 공식을 제시했다. 이것은 현재 슈바르츠실트 반지름으로 알려져 있으며, 그것은 우주 시간에 바닥이 없는 구덩이의 가장자리를 나타낸다. 벼랑 끝 너머에서 모험을 하면 다시는 돌아오지 않을 것이다. 슈바르츠실트 반지름의 공식은 매우 간단하다: 3 곱하기 M (여기서 "M"은 태양의 질량이고 결과는 킬로미터로 표현된다.) 예를 들어, 만약 태양이 특이점으로 축소된다면, 태양의 사건 지평선은 그것의 표면 위 3킬로미터에서 일어날 것이다. 흥미롭게도, 그것은 우리 행성의 궤도를 방해하지 않을 것이고 우리는 갑자기 망각 속으로 빨려 들어가지 않을 것이다! 비슷하게, 지구의 슈바르츠실트 반경은 1/3 인치 입니다: 만약 지구가 비슷하게 압축된다면, 그 사건의 지평선의 구체는 대리석만한 크기일 겁니다! 하지만, 과학자들은 약 50년 동안 별의 진화의 역할에서 그것의 중요성을 이해하지 못했고, 최근에야 그것이 우주 자체의 발전에 극적인 영향을 깨달았답니다! 슈바르츠실트의 논문에 담긴 과격한 예측에도 불구하고 과학계는 황당하기보다는 호기심으로 여겼다. 특이점에 대한 생각은 아인슈타인을 포함한 많은 과학자들을 곤혹스럽게 했다. 왜냐하면 그것은 그들의 경험 앞에서 날아다녔기 때문이다. 결국, 세상은 유한하고 모든 것을 저울질하고 측정할 수 있기 때문이다. 그 시기의 주요 사상가들은 특이점을 만들어낼 수 있는 조건들을 상상할 수 없었지만, 이제 우리는 그것들이 우주 전체에서 공통적이라는 것을 안다. 어디? 거대한 별들의 운명에, 그리고 전부는 아닐지라도 대부분의 중심에는 은하계가 있다!