최근 발표된 논문에 따르면, 시공간의 뒤틀림을 나타내는 이론상 개념인 '위상 꼬임(topological solitons)'이 실제로 블랙홀과 유사한 역할을 수행할 수 있다는 것을 밝혀냈습니다. 이러한 발견은 양자 물리학에 대한 우리의 이해를 한층 발전시킬 수 있다고 합니다. 이 연구는 4월 25일에 Physical Review D라는 학술지에 발표되었습니다.
블랙홀은 과학사에서 가장 당혹스러운 물체 중 하나입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 블랙홀의 존재를 예측하며, 천문학자들은 그 형성 방법을 알고 있습니다. 대질량 별이 자체 중력에 의해 붕괴되기만 하면 블랙홀이 형성됩니다. 다른 저항력이 없기 때문에 중력은 모든 별의 물질이 무한히 작은 점으로 압축될 때까지 계속해서 당기게 됩니다. 그 점을 특이점(singularity)이라고 하는 무한한 밀도의 지점이며, 그 주변에는 블랙홀의 가장자리를 나타내는 가시적이지 않은 경계인 사건의 지평선(Event Horizon)이 존재합니다. 이벤트 호라이즌을 통과한 물체는 결코 빠져나오지 못합니다.
하지만 이러한 점들은 실제로는 무한한 밀도의 점이 존재할 수 없다는 것이 주요 문제입니다. 따라서 일반 상대성 이론은 블랙홀의 존재를 예측하지만, 우리는 아직 완벽한 그림을 그릴 수 없다는 사실을 알고 있습니다. 우리는 특이점 대신 더 합리적인 어떤 것으로 대체되어야 한다는 것을 알고 있지만, 그 대체물이 무엇인지는 알지 못합니다.
이를 파악하기 위해서는 극히 작은 스케일에서 극도로 강한 중력을 이해해야 합니다. 이를 양자 중력이라고 합니다. 그러나 현재까지는 유효한 양자 중력 이론이 없지만, 몇 가지 후보 이론 중 하나는 '끈 이론'입니다. 이 이론은 우리 우주를 구성하는 입자들이 작은 진동하는 '끈'으로 이루어져 있다고 제안합니다.
우주를 구성하는 입자들의 다양성을 설명하기 위해서는 이러한 끈이 일반적인 3차원 공간 차원에서만 진동하는 것이 아니라, 압도적으로 작은 스케일에서 뒤틀려 고정된 여러 추가 차원을 가지고 진동한다는 것을 끈 이론이 예측합니다. 이렇게 극히 작은 스케일에서 추가 공간 차원이 말려있는 것은 매우 흥미로운 물체를 만들어낼 수 있습니다.
이 연구에서 연구자들은 이러한 추가 차원들의 압축이 '결함'을 발생시킬 수 있다고 제안했습니다. 셔츠에 다리미로도 말리지 않아 피할 수 없는 주름과 비슷한 이 결함은, 공간-시간의 구조에서 영구적인 불완전성으로 남게 됩니다. 이를 '위상 꼬임'이라고 합니다. 이론적으로 이러한 시공간의 꼬임은 블랙홀과 매우 유사한 모습과 행동을 나타낼 것이라고 연구자들은 제안했습니다.
연구자들은 이러한 위상 꼬임 주변에서 빛이 어떻게 행동할지 연구했습니다. 그들은 위상 꼬임 주변에서 빛이 거의 블랙홀과 같은 방식으로 영향을 받을 것이라고 발견했습니다. 빛은 꼬인 공간 주위에서 굴절되고 안정된 궤도를 형성하며, 그림자를 만들어냅니다. 다시 말해, 2019년 블랙홀 M87*에 초점을 맞춘 사건의 지평선 망원경의 유명한 이미지들은, 이미지 중앙에 블랙홀 대신 위상 꼬임이 있다면 거의 동일한 모습일 것입니다. 다만 위상 꼬임은 특이점을 가지지 않기 때문에 사건의 지평선을 가지지 않습니다.
아쉽게도 우리 주변에는 탐색할 만큼 가까운 블랙홀이 없기 때문에, 우리는 현재로서는 먼 우주 물체들의 관측에 의존해야 합니다. 만약 위상 꼬임 현상이 발견된다면, 그 발견은 중력의 본질에 대한 주요한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라, 양자 중력과 끈 이론의 본질을 직접 연구할 수 있는 기회를 열어줄 것입니다.
이 연구는 과학적으로 매우 흥미로운 결과를 제시하며, 우리가 이제까지 우주와 중력에 대해 알고 있던 것들을 뒤집을 수도 있는 가능성을 보여줍니다. 우리는 아직 양자 중력의 이론을 완전히 이해하고 있지 않기 때문에 더 많은 연구와 발견이 필요합니다. 하지만 이러한 현상들을 연구함으로써, 우리는 우주의 기원과 구조에 대한 보다 깊은 통찰력을 얻을 수 있을 것입니다.
더 많은 관측과 실험을 통해 위상 꼬임이 실제로 존재하는지 확인하고, 우리가 살고 있는 우주의 이론과 이해를 발전시키는 데 도움이 될 것입니다. 우리는 끊임없이 우주의 수수께끼를 풀어나가고, 새로운 질문에 대한 대답을 찾아가며, 우주의 신비로움을 탐구하는 여정을 계속할 것입니다.
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