톱을 노려라2! 과학강좌 특별편 - 2화 TOP2 제작관련

톱2 공식 홈페이지에 실린 과학강좌입니다.

내용상 톱2에 대한 스포일러가 포함되어 있기 때문에
본편을 다 못 보신 분들은 피해주시기 바랍니다.

톱을 노려라2! 과학강좌 특별편 - 1화 보기
톱을 노려라2!
과학강좌 [특별편]
"한눈에 보는 블랙홀과 변동중력원"

제2화 블랙홀의 사용법


지난 시간에는 블랙홀에 대한 기초적인 내용을 설명했습니다. 블랙홀이 빛을 포함한 모든 물질을 집어삼키는 가공할 중력의 우물이라는 점 외에도, 경이적인 특징들이 몇 가지 존재합니다. 그 첫 번째로 너무나도 강한 중력 탓에 블랙홀 근방에서는 시간의 진행이 느려지는 현상이 나타납니다. 이번 시간에는 그러한 블랙홀의 특징과 그로 인해 어떤 일들이 일어나는가, 그리고 어떤 이용법이 있는가에 대해 해설해보겠습니다.

우라시마 효과

물체의 속도가 광속에 가까우면 가까울수록 그 물체 상의 시간의 흐름은 느려집니다. 사실 눈에 띌 정도로 차이가 생기는 경우는 아광속, 즉 한없이 광속에 근접한 속도에 달했을 때부터지만 말이죠….

아인슈타인이 제창한 특수상대성이론에 따르면 광속도는 늘 일정하지만 시간의 흐름은 상대적으로 변화하게 됩니다. 이것은 무슨 뜻일까요?

이동 중인 물체 상에서 빛의 속도는 실제 광속도에 물체의 속도를 더한 것이 되어야 합니다. 하지만 빛의 속도는 늘 일정합니다. 그렇게 고속으로 이동 중인 물체 상에서는 시간의 흐름이 느려지기 때문에 광속도는 변화하지 않고 유지되는 것이죠. 즉, 시간의 흐름이 변화하는 것입니다.

이것은 실제 원자시계를 사용한 실험에서 입증된 효과로서 상대성이론이 옳다는 증거이기도 합니다.

일본에서는 ‘우라시마 효과’, 미국에서는 ‘립 반 윙클 이펙트’라고 부르고 있는 이 효과는 SF 소설에 많이 쓰이는 소재인데요. ‘톱을 노려라!’ 2화와 5화에서도 노리코가 탄 기체가 임무를 위해 아광속까지 가속한 결과, 시간이 순식간이 지나가버려 지상과의 시간차가 생기는 묘사가 나오고 있습니다.

사실 이와 같은 효과는 고중력 하에서도 일어나고 있습니다.

아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 시간과 공간, 물질과 에너지는 각각 동등한 것으로 취급됩니다. 그리고 지난 시간에 해설했듯이, 질량이 있는 물질 주변에는 그 질량에 따라 시공이 왜곡됩니다.

즉 중력이 크면 클수록 빛이 나아가는 시공은 왜곡되게 됩니다. 즉 왜곡되지 않은 시공을 지날 때보다도, 실제로는 더 긴 거리를 이동하는 것입니다. 당연히 이동에 걸리는 시간도 늘어나게 됩니다.

하지만 앞에서 언급했듯이 특수상대성이론에 따르면 광속도는 변하지 않습니다. 때문에 고중력 하에서 빛의 속도는 느려지지 않고 대신 시간의 흐름이 느려진다는 결론이 나옵니다.
“3차원 시공을 지나는 거리”
[시공의 왜곡]
“4차원 시공을 지나는 거리”
[사상의 지평선]
[특이점]

“일반 공간을 지나는 빛과 블랙홀 안을 지나는 빛의 속도는 같다”

‘톱을 노려라!’에서는 제6화 라스트씬에서 고중력에 따른 시간의 왜곡이 등장합니다. 목성을 블랙홀 폭탄화 시킨 버스터 머신 3호를 기폭 시키기 위해 그 내부로 들어간 건버스터는, 기폭 직후 폭축이 시작된 블랙홀 가까이에 있었기 때문에 탈출하는 사이에 고중력에 따른 시간의 왜곡이 발생하였고, 또한 탈출 시에 아광속으로 장시간 비행했기 때문에 시간차가 더욱 증가. 결국 워프 항법으로 지구에 귀환했을 때 건버스터 내부에서의 시간은 얼마 지나지 않았지만, 지구에서는 약 1만2천년이라는 세월이 흐르고 만 것입니다.

우라시마 효과는 무시무시한 것이지만, 거꾸로 그것을 적극적으로 이용하는 방법도 생각해볼 수 있습니다. 즉 일방통행이긴 하지만, 일종의 타임머신으로 이용하는 방법도 가능합니다. 미래로 갈 수는 있지만 돌아올 수 없다는 것이 문제지만요….
카즈미: “생각하기 나름이죠. 우라시마 효과를 이용해 미래로 시간여행을 하는 거예요.”
라르크: “시간여행을 하면 흑백이 되는 걸까?”


블랙홀 발전

블랙홀 중심부에 다가가면, 이론상 질량은 무한대로 증대됩니다. 때문에 물질은 블랙홀이 가진 사상의 지평선 안쪽으로 넘어가 사라지기 전에 스스로의 중량으로 붕괴됩니다.

한편 소형 블랙홀의 다가가는 물체의 경우, 붕괴되기 전에 거대한 조석력(潮汐力)에 의해 갈가리 찢겨지게 됩니다.

이러한 힘을 이용한 것이 블랙홀 발전(發電)입니다. 블랙홀은 뭐든지 집어삼킬 뿐 밖으로 뱉어내지 않기 때문에, 그 빨아들이는 힘을 잘만 이용하면 에너지를 뽑아낼 수도 있는 것입니다.

이러한 이치는 현실 세계에 존재하는 수력발전의 원리와 흡사합니다. 수력발전기가 댐에 모은 물을 흘려 중력 에너지를 전기 에너지로 변환시키듯이, 블랙홀에 물질을 던져 넣음으로써 중력 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수가 있습니다. 사실 그러한 장치를 어떻게 만드느냐가 문제겠지만요….

어쨌든 블랙홀의 질량은 그 중심인 특이점에서 무한대가 되기 때문에 그 중력구배(重力句配)는 어마어마합니다. 거기서 얻는 에너지 역시 수력발전과는 비교도 안 된다고 볼 수 있죠. 잘만 제어한다면 블랙홀은 훌륭한 에너지원이 될 수 있습니다.

참고로 자연에 존재하는 회전 블랙홀은 그 주변에 전자장을 발생시키고 있는데, 물질을 빨아들임에 따라 전자장을 변동시켜 전기를 일으키고 있다는 것이 실제로 확인되고 있습니다.
블랙홀 발전:
[물질(뭐든 상관없다)]
[발전기]
[사상의 지평선]
[특이점]

카즈미: “블랙홀 발전은 에너지를 얻는 효율이 높습니다”
라르크: “적들이 그것을 가지고 있다는 것이 문제인데…”



‘특이점’과 ‘우주검열관 가설’

블랙홀에 흡수되어 사상의 지평선을 넘은 물질은 두 번 다시 밖으로 빠져나올 수 없습니다. 그런데 만약 그 물질이 블랙홀의 고중력을 견뎌낼 수 있다면 과연 어디로 가게 될까요?

지난 시간 해설에서는 블랙홀 중심에는 특이점이라 불리는 부피 0, 밀도 무한대의 영역이 존재한다는 이야기를 했습니다. 그렇다면 파괴되지 않은 채 사상의 지평선을 돌파할 수 있다면 그 물질은 특이점에 도착하게 될 겁니다.

문제는 특이점이 어디까지나 계산을 통해서 나온 이론상의 존재일 뿐, 부피도 없이 밀도만 무한대인 것이 현실 세계에 존재할 수는 없다는 점입니다. 거꾸로 말하면 그렇기 때문에 사상의 지평선이 존재하여 우리들의 눈으로 특이점을 볼 수 없도록 해놓았다고 생각할 수도 있습니다.

영국의 물리학자 로저 펜로즈에 따르면, 특이점은 자연계에 존재하지 않기 때문에 사상의 지평선에 가려지지 않은 ‘알몸 특이점’이 나타나지 않도록 설정되어 있다고 합니다. 우주가 특이점의 노출을 검열하고 있다는 점에서, 펜로즈는 이것을 ‘우주검열관 가설’이라고 부르고 있습니다.

한편으로 펜로즈는 동료 물리학자인 스티븐 호킹과 함께, 상대성 이론에 따르면 이 우주는 특이점으로부터 시작되었다는 것을 수학적으로 증명하고 있습니다. 즉, 특이점이야말로 새로운 우주의 원천인 것입니다.

또한 회전 블랙홀의 경우, 특이점은 링 모양을 띠고 있으며 그 너머에는 전혀 다른 우주가 펼쳐져 있다는 설도 있습니다.

즉, 우주의 검열을 회피하여 이 특이점을 노출시킬 수 있다면, 다른 우주로 가는 통로로서 이용하거나 혹은 새로운 우주를 창조할 수 있을지도 모릅니다.
↑우리들의 우주 [사상의 지평선]
↓ 미지의 세계    [특이점]



변동중력원은 블랙홀을 어떻게 이용하고 있는가?

지금껏 살펴본 대로 블랙홀의 성질을 이용한다면,

(1) 미래로 가는 타임머신
(2) 엄청난 출력의 발전기
(3) 다른 우주로 가는 탈출로 혹은 다른 우주의 창조


…같은 일들이 가능합니다.

‘톱을 노려라2!’에 등장하는 변동중력원은 자신의 체내에 블랙홀을 가지고서, 그 능력을 자유자재로 이용할 수 있을 것으로 예상됩니다. 그렇다면 (1)번과 (2)번의 경우는 물론이고 최악의 경우 (3)번 능력을 사용하여 새로운 우주를 만드는 대신 지금의 우주 전체를 파괴할 수 있을지도 모릅니다.

즉, 이 변동중력원은 비록 한 마리지만, 그 힘은 실로 전 우주를 파괴할 수 있을 정도로 강력하기 때문에 과거의 우주괴수들과는 비교 할 수 없을 정도로 위험한 적인 것입니다.
카즈미: “변동중력원은 전 우주를 파괴할 수 있을 정도로 강력한 존재예요”
라르크: “시간여행을 통해 미래로 도망치는 방법도 있지 않을까…”

제2화 끝
해설: 사카이 미츠야스

출처: TOP2 공식 사이트
http://www.top2.jp/
글을 퍼가실 때는 저희 블로그와 TOP2 DVD 출시에 관해
언급해주시면 감사하겠습니다.^^

덧글

  • NOVA 2007/01/25 12:43 # 답글

    혹시 틀린 부분 있으면 지적해주시기 바랍니다.
    이런 건 이제 그만 번역 하고 싶어요..T_T
  • 잠본이 2007/01/25 12:45 # 답글

    이걸 읽으니 6화의 라스트가 이해가 될락말락 하는군요 OTL
    애써주셔서 감사합니다.
  • NOVA 2007/01/25 12:48 # 답글

    잠본이//그러고 보니 저도 그렇습니다.
    이제야 그 장면들이 이해가 가는군요..^^;;;
  • Saint 2007/01/25 14:06 # 답글

    아아, 그 함장이 새로운 우주가 어쩌구 하던게 저거군요!
  • DSmk2 2007/01/25 19:33 # 답글

    '“시간여행을 하면 흑백이 되는 걸까?”' 라르크 ... 핵심을 꽤뚫는군요.
  • 이민호 2007/01/25 23:23 # 삭제 답글

    도대체 뭔 소리냐...

    저 강좌를 이해하느니, 그냥 애니만 보고 만족하는게 더 속 편하겠군요... ㅡ_ㅡ;;
  • 세르라인 2007/01/26 17:13 # 답글

    헷갈리는 부분이 많았는데..
    확실히 이해되네요 ㅠㅠ 소중한 자료 감사합니다 ~_~
  • 디에네 2007/01/26 23:53 # 답글

    모........모르겠다아..........
    일단, 읽어봤습니다만..... orz
  • 호롱이 2007/01/28 00:53 # 삭제 답글

    언제나 좋은자료 감사드려요-_ㅠ

    언제나 수고하십니다!
  • NOVA 2007/01/29 15:10 # 답글

    이민호//그래도 학교다닐 때 이런 식으로 과학 교과서가
    나왔으면 성적이 좀 올랐을지도 모르겠네요..^^

    세르라인, 호롱이//감사합니다. 업데이트 할 게 더 남았는데
    바빠서 요즘 통 못 올리네요.
  • 이민호 2007/01/29 16:48 # 삭제 답글

    NOVA/좋은 생각입니다! ^^
  • 최종병기아자 2014/12/31 18:08 # 삭제 답글

    엇 저도 자료좀 퍼가도 될까요?
    퍼간 곳은 닉네임 클릭하면 나오는 블로그입니다.
    출처 전부 명시 하겠습니다
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