사실 우주 전체가 블랙홀? 우주의 모든 물체를 표기한 그림에서 의외의 결론

사실 우주 전체가 블랙홀? 우주의 모든 물체를 표기한 그림에서 의외의 결론

우주의 '정리'에 관한 내용입니다.

오스트레일리아 국립대학(ANU)에서 행해진 연구에 의해서, 우주에 존재하는 모든 물체의 사이즈와 질량의 관계를 종이 한장에 나열한, 가장 스케일이 큰 도표가 만들어졌습니다.
이 도표를 보면 우주에 존재하는 모든 물체의 크기와 질량이 어떤 관계에 있는지 알 수 있고 우리 우주의 기본적인 성질을 시각적으로 알 수 있습니다.
다만 만들어진 도표는 '소립자부터 전 우주'까지를 망라하는 극 스케일이기 때문에 얼핏 보기만 해서는 잘 모를 것입니다.

그래서 이번 시간에는 도표의 어디에 무엇이 있는지 알기 쉽게 설명하고, '우주 전체가 블랙홀이 된다'는 것을 시사하는 이유에 대해서도 설명하는 내용입니다.

이 연구의 자세한 내용은 2023년 10월 1일에 『American Journal of Physics』에서 「모든 물체와 몇 가지 의문(Allobjects and some questions)」이라는 제목으로 공개되어 있습니다.

모든 물체의 크기와 무게를 정리한 것

사과에는 사과의 크기와 질량이, 인간에게는 인간의 크기와 질량이 있습니다.
사과나 인간의 종에 따라 약간의 편차가 있지만, 직경이 100광년인 사과가 있거나 몇 나노미터인 인간과 같은 변동은 일어나지 않습니다.
마찬가지로 지구나 태양과 같은 별도, 수소 원자나 우라늄 원자와 같은 원자의 경우도 변동폭은 일정 범위에 갇혀 있습니다.

'그런 건 당연하다.'라고 생각하는 사람도 있을 것입니다.
그러나 그 당연한 것이 무엇에 의해 정해져 있고, 어떤 경향에 있는지는 수수께끼에 싸여 있습니다.

그래서 이번, 오스트레일리아 국립대학의 연구자들은, 우주에 존재하는 모든 물체에 대해서, 가로축에 사이즈(반경), 세로축에 질량을 설정한 도표로 정리하는, 지극히 대담한 시도에 도전했습니다.

모든 물체를 한 장의 종이 위에 플롯함으로써 우리 우주에 대해 알려지지 않은 경향이나 편향이 존재할 수 있었기 때문입니다.
조사에 있어서는 우선, 모든 물체의 크기와 무게의 근사치가 정해졌습니다.

예를 들어 인간은 질량 70kg·반경 50cm의 물체, 고래는 질량 1만kg·반경 7m의 물체로 여겨졌습니다.
마찬가지로 바이러스, 세균, 벼룩, 행성, 항성, 나아가 태양계, 은하단, 우주 대규모 구조에 대해서도 같은 개산을 실시해 가로축에 물체의 사이즈(반경)·세로축에 물체의 질량을 설정한 그래프에 기입해 넣습니다.

지구, 태양, 은하의 위치 /  세 개의 직선으로 나누져

그러면 흥미로운 사실이 보입니다.
크기와 질량의 근사치는 상당히 엉성했지만 바이러스, 세균, 벼룩, 인간, 고래, 행성, 항성과 같은 주로 원자로 구성된 물체는 대체로 그래프의 같은 선상에 늘어선 것으로 밝혀졌습니다.

이것들은 '원자로 구성되어 있다'는 공통의 특성이 있기 때문에 극단적인 빗나간 값을 갖지 않고 크기와 무게가 단순하게 배열되어 준 것입니다.
한편, 태양계, 은하계, 은하단, 우주의 대규모 구조 등, 보다 큰 스케일의 경우에는 원자간의 결합력이 아닌 중력에 의해서 연결되어 있습니다.

흥미롭게도, 각각의 반경(사이즈)과 무게를 기입해 가면, 이쪽은 다른 직선상에 늘어선다는 것이 판명되었습니다.
게다가 쿼크나 전자, 중성미자 등 소립자를 비롯한 작은 입자들을 크기와 질량을 바탕으로 배치하면 또 다른 선 위에 배치되어 있음을 알 수 있습니다.
이 결과는, 우리의 우주는 원자의 세계, 중력의 세계, 작은 입자의 세계라고 하는 3가지 수준이 존재하는 것, 그리고 각각이 속한 직선(경향)이 있는 것을 의미하고 있습니다.

그림의 왼쪽 위와 왼쪽 아래 두 개의 금지 구역

이번 연구를 통해 만들어진 그림에서는 주로 왼쪽 위와 왼쪽 아래에 '금지 영역'이 있음을 보여줍니다.

이 금지 영역은 물리학적 이해가 불가능한 영역이며 왼쪽 상단이 블랙홀, 왼쪽 하단이 양자 불확실성 영역입니다.

태양을 블랙홀로 만드는 두 가지 방법

예를 들어 태양이, 가로축의 크기는 그대로 두고 세로축의 질량만 늘어간 경우(빨간 화살표)나 질량은 그대로 크기만 줄어간 경우(파란색 화살표) 태양의 밀도가 이윽고 한계에 이르러 금지 영역의 경계에 접함과 동시에 블랙홀이 되어 버립니다.

그러나 무게나 크기 변화에 따라 블랙홀이 되는 것은 태양만이 아닙니다.
바이러스나 세균의 경우에도 밀도가 한계에 도달함과 동시에 금지 영역에 접촉하면서 이론상 블랙홀이 되고 맙니다.
우주에 존재하는 물질에는 중력에 의한 눌림을 견딜 수 있는 한계치(축퇴압)가 존재하고 있으며, 그 한계치를 돌파하면 '어떻게 보면' 시공에 구멍이 뚫려 영원히 낙하하는 특이점을 생성해 버리기 때문입니다.

이 그림에 나타난 왼쪽 상단의 금지 영역은 각 크기의 물체가 어느 정도의 무게 증가로 블랙홀이 되는지를 나타내고 있는 것입니다.

한편 왼쪽 아래 영역은 양자적 불확실성에 의해 금지 영역입니다.
이 영역의 경계는 쿼크, 힉스 입자, 전자, 중성미자 등의 작은 입자들이 줄지어 있는 것을 볼 수 있을 것입니다.
이보다 작은 스케일에서는 '단일한 물체'라는 개념이 깨지고 입자의 생성과 소멸이 발생하게 되어 물체로서의 크기와 무게를 생각할 수 없게 됩니다.

또한 그림을 보면 더 작은 크기의 물체일수록 더 적은 질량 증가(더 짧은 화살표)로 블랙홀이 되어버린다는 것을 알 수 있을 것입니다.
크기가 작은 물질의 경우 약간의 질량 증가로 밀도 한계가 돌파되어 버리기 때문입니다.

양자 가속기를 사용한 실험에서는 극히 작은 크기이면서도 극히 무거운 입자가 생성될 수 있는데, 그러한 입자는 곧 블랙홀이 되어 버리는 것으로 알려져 있습니다.

다행히 인공적으로 만들어지는 극소 블랙홀은 곧 증발해 버리는 것으로 알려져 있으며, 지금까지의 실험으로 만들어진 블랙홀이 지구를 삼키지는 못하고 있습니다.

그렇다면 우주에서 생각할 수 있는 가장 작은 물체의 경우 어느 정도의 질량 증가로 블랙홀이 되어 버리는 것일까?
그 답은 금지 영역의 교차로에 있습니다.
교차로에 있다는 것은 가장 작은 물체가 이미 블랙홀이라는 것을 보여줍니다.

연구는 인스탠튼이 우주의 근원일 가능성에 대해 설명하고 있다

연구자들은 이 점이야말로 인스탠튼(instanton. 플랑크 질량 블랙홀)이라는 이름이 붙은 '우주의 소(素. 만물이 생기는 바탕; 원질(原質))'라고 말합니다.
현재 우주론에서는 우리 우주는 '작은 점'이 폭발적인 팽창을 일으키면서 탄생했다고 알려져 있습니다.

이번 연구에서는 이 우주의 소(素)에는 두 개의 금지 영역이 교차하는 이중 금지점으로서의 성질이 있으며, 가장 작은 블랙홀이면서도 단일 물체로서의 개념이 없는 존재일 가능성이 나타났습니다.

물리학을 거부하는 두 영역의 접점이 왜 우주의 근원이 되었을까?
이 결과를 물리학적으로 어떻게 해석할지는 현재로서는 불분명합니다.

그렇다면 반대로 우주에서 가장 큰 물체의 경우는 어떻게 되는 것일까요?
우주 전체가 블랙홀을 나타내는 금지 구역에 접해 있다

우주 전체가 블랙홀을 나타내는 금지 구역에 접해 있다

그림을 자세히 보면 지구나 태양이 속한 직선(빨간색으로 둘러싼 부분)에 비해 은하나 대규모 구조(파란색으로 둘러싼 부분)는 크기가 커짐에 따라 더 금지 영역에 가까워지는 것을 알 수 있을 것입니다.

이번 연구에서는 은하나 우주의 대규모 구조를 그림에 적을 뿐만 아니라 우주 최대의 물체, 즉 우주 전체(녹색으로 둘러싼 부분)에 대해서도 그 크기와 무게의 근사치가 되어 그림에 기재되었습니다.
(※우주의 크기에 대해서는 허블 부피가 사용되었습니다)

그러자 놀랍게도 우주 전체를 나타내는 포인트(녹색으로 둘러싼 부분)가 블랙홀을 의미하는 금지 영역의 선상에 위치한다는 것이 밝혀졌습니다.
논문에서 연구자들은 "이것은 우주 전체가 블랙홀임을 시사하는 것 같다"고 말합니다.

다만 이 결론은 팽창을 계속하는 '우주의 바깥쪽'이 안쪽과 같은 성질을 가지고 있다는 전제하에 도출된 것이라는 점에 대해 주의를 촉구하고 있습니다.

우주 바깥쪽을 관측하는 방법이 존재하지 않는 이상 이론을 실증하는 방법은 존재하지 않으며 최종 결론으로 볼 수 없습니다.
다만 우주의 근원으로 여겨지는 인스탠튼(instanton)과 현시점의 전 우주가 함께 금지 영역의 선상에 접하고 있다는 결과는 매우 흥미롭다고 할 수 있습니다.

물리학의 세계에는 모든 물질을 단일 표로 묶어서 기재하는 오랜 세월에 걸쳐 채용되어 온 전통이 존재합니다.
아주 간단하게 만든다면 단순히 가장 작은 입자를 왼쪽에, 우주 전체를 오른쪽에 배치하면 가능합니다.
실제로 과학잡지 특집 등에서 소립자부터 우주의 대규모 구조에 이르기까지를 기록한 해설도를 본 적도 있을 것입니다.

그러나 이번 연구는 원자의 세계와 중력의 세계, 그리고 작은 입자의 세계가 서로 다른 직선상으로 배치되어 있음을 보여줌과 동시에 금지 영역도 표시하는 것보다 포괄적인 것이 되었습니다.
그래서 연구자들은 이 그림을 사용하는 것이 물리학의 한계에 관한 문제를 이해하는 데 도움이 된다고 말합니다.
특히 금지 영역이 관련된 부분에 대해서는 문제의 명확화에 도움이 됩니다.

두 금지 영역이 인스턴스(instanton)에서 교차하는 사실을 어떻게 해석해야 하는가?
인스탠튼(instanton)은 정말 우주의 근원인가?
만약 이 의문에 답할 수 있다면 인류의 우주에 대한 이해는 크게 진전될 것입니다.

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Study finds the Universe is a black hole (kind of)
https://cosmosmagazine.com/science/graph-measures-objects-universe-black-hole/

All objects and some questions
https://pubs.aip.org/aapt/ajp/article/91/10/819/2911822/All-objects-and-some-questions

All objects and some questions