04.02 - 슈발츠쉴트의 가호가 함께하길...(May the Schwarzschild Be With You) [커세라 강의 페이지]
In the 1987 movie, Spaceballs, which is a parody of the Star Wars franchise, a mysterious force called the Schwartz allows Dark Helmet to battle Lone Star. Upon engaging in battle, Dark Helmet says to Lone Star, "I see that your Schwartz is as big as mine."
1987년 스타워즈의 패러디 영화 "스페이스 볼"에서 미지의 힘으로 "슈워츠"가 나온다, 다크 헬밋이 론 스타에게 "내가 너의 슈워츠 보다 세다는 걸 보여 주겠다" 라고 말한다.
Strictly speaking, the Schwartz has nothing to do with black holes. But this scene is an easy way to remember the Schwarzschild radius is a measurement of the size of a black hole. In order to size up a black hole, you need to be able to deduce how massive it is.
엄밀히 말하면 슈워츠가 블랙홀에 대해 기여한 바는 없다. 하지만 이 장면은 "슈발츠 쉴트 반경"을 금방 떠올리게 하는데 바로 블랙홀의 크기를 짐작케 해준다. 블랙홀로 성장 하려면 얼마나 무거워야 하는지 알아야 한다.
The first major tool for discovering the properties of black holes was developed by Einstein, who first published his field equation formalism for general relativity in 1915. Einstein himself wasn't confident that his equations allowed exact solutions.
1915년 발표된 아인슈타인의 논문, 일반상대론에 장 방정식(field equation)이 블랙홀이 어떤 특성을 가져야 하는지 알려주는 최초의 과학적 도구였다. 아인슈타인은 이 방정식을 세웠으나 정확한 해에 확신을 갖지 (해의 의미를 해석하지)못했다.
I mean, just look at this mess. Well, luckily there are some people out there that don't listen to Einstein. Amazingly, a solution to Einstein's equations was developed by a German astronomer named Karl Schwarzschild the same year that Einstein introduced general relativity.
대부분 사람들은 아인슈타인의 이론을 알아듣지 못했다. 놀랍게도 독일 천문학자 칼 슈워츠(슈바르츠쉴트)가 아인슈타인의 상대론이 발표된 그해에 방정식의 해를 구했다.
Schwarzschild's solution to Einstein's field equations give us the first glimpse at the nature of black holes. The result, of course, is the expression for the Schwarzschild radius.
슈발츠 쉴트의 아인슈타인 장방정식 풀이는 블랙홀이 어떤 모습을 가져야 하는지 일단을 보여준다.[장방 정식의 풀이/해석은 지금도 박사학위 논문꺼리다.]
This equation relates the mass of a black hole with the size of its event horizon. The best part, Karl's solution to Einstein's equations were exact, making Einstein extremely happy.
이 방정식은 블랙홀의 질량과 사건의 지평선의 반경과 관련있다.[블랙홀의 무한히 작은 점에 거대 질량이 몰려 있다. 사건의 지평선 반경은 블랙홀 영향권이다.] 이는 칼 슈발츠쉴트의 해 중 가장 중요한 부분으로 아인슈타인도 이에 대해 매우 만족해 했다.
At first, it wasn't recognized that the Schwarzschild solution described black holes. In those early days, they called them totally gravitationally collapsed objects. Only much later, in 1957, were they formally called black holes.
처음부터 슈바르츠쉴트의 해가 블랙홀과 연결짓진 못했다. 그시절에는 중력에의해 완전히 붕괴된 천체라고 만 여겼다. 한참 후 1957년에 이르러 블랙홀이라는 말이 공식화 되었다.
Schwarzschild provided a convenient equation for deducing the radius of a black hole knowing only its mass. But, that still leaves us with a problem. We can't travel to a black hole to measure the size of its event horizon.
슈바르츠쉴트는 질량만으로 블랙홀의 반경[사건의 지평선/영향권]을 예측하는데 아주 유용한 해를 내놨다. 하지만 여전히 사건의 지평선 크기를 직접 측정할 수 없다는 문제를가지고 있다.
So, how are we supposed to deduce the mass of a black hole, in the first place? Karl Schwarzschild was serving in the German army when he wrote the solution in a letter to Einstein in December, 1915. Unfortunately, Schwarzschild was suffering from a skin condition and succumbed to it only six months later. He died on May 11th, 1916 without knowing the impact his work would have in the era of modern physics.
그렇다면 블랙홀의 질량을 어떻게 유추해 낼 수 있었을까? 칼 슈발르츠쉴트가 장방 정식의 해를 구해 아인슈타인에게 편지를 보낸때는 1915년 겨울이었다. 그때 그는 독일 육군에 복무중이었다.
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Why then is it so hard to measure the properties of black holes? Think about it like this, humans have five senses that we can use to touch, taste, smell, see, and hear objects in our environment. We're really good at it. We can distinguish millions of colors, thousands of smells, hundreds of tastes, etc. There's a reason for the English idiom, "A picture is worth a thousand words."
우리가 왜 블랙홀의 특성을 측정하기 어려운지 잠시 생각해 보자. 인간은 상황을 판단하는데 다섯 가지 감각을 이용한다; 촉각, 미각, 후각, 시각, 청각. 수백만 가지 색깔을 구분하고 수천가지 냄새를 맡으며 수백 가지 맛을 느낀다. 속담에 "백문이 불여일견"이라고 했다.
But, black holes have none of these things. They can't be tasted, smelled, they have no color, they make no sound. But above all, they emit no light.
하지만 블랙홀은 이 어느 감각으로도 알수가 없다. 맛도 냄새도 색깔도 없다. 소리도 내지 않는다. 무엇보다도 빛을 방출하지 않는다.
Back in 1967, an astrophysicist named Werner Israel, a professor here at the University of Alberta, was the first to demonstrate why black holes were so elusive. He showed that if any large feature existed on the black hole surface, like mountains or hair, they would tend to smooth out.
1967년으로 돌아가서 앨버타 대학의 워너 이스라엘 이라는 천체 물리학자가 블랙홀을 관측하기 어려운 이유를 처음으로 발표했다. 그에 따르면 블랙홀의 표면에 산이나 머리카락 같은 거대한 지형이 있더라도 뭉개져 버렸을 것이라고 했다.
Scientists now call this the "no-hair theorem". The name is used to illustrate that black holes have no other independent characteristics than their mass, charge, and spin.
과학자들은 이를 "민머리 이론" 이라고 부른다. 이는 블랙홀이 질량(mass), 전하(charge), 회전(spin) 말고는 어떤 물리적 특징도 갖고 있지 않다는 데서 기인한 이름이다. (외모의 완성은 머리 모양?) [털없음 정리 / no-hair theorem]
There are no black holes with ponytails, mullets or mohawks, because if indeed they had any kind of identifying feature on their event horizon, well, it would get sucked into the black hole. A black hole's event horizon is a featureless boundary, just like the scene in Spaceballs where Dark Helmet is searching the desert on the moon of Vega. If you try to comb a black hole, you aren't going to find anything.
특정한 외모(헤어스타일)를 가진 블랙홀은 없다. 모두다 블랙홀로 빨려들어 갔을 테니 사건의 지평선에 어떠한 특징을 보여주지 않는다. 마치 영화 "스페이스 볼" 에서 다크 헬밋이 찾아 헤메던 베가의 달 사막 만큼이나 블랙홀의 사건의 지평선에는 어떤 특징도 없다. 블랙홀의 머리를 빗겨주려 해도 머리카락 한 올도 찾을 수 없다.
When you rub a balloon against your head, you create a difference in charges between your head and the balloon. Your hair, charged with static electricity, will stand up straight while the balloon can now stick to a nearby wall.
풍선을 머리카락에 문지르면 풍선과 머리카락 사이에 상반된 전하가 생긴다. 정전기를 띈 머리카락은 위로 떠올라 산발이 되고 풍선은 벽에 붙으려한다.
A law of physics, called the law of conservation of charge, tells us that charge can't be created or destroyed. So, even when charges are separated, they're always balanced between positive and negative charges.
전하보존 물리법칙에 따르면 전하는 저절로 생겨나거나 소멸 되지 않고 항상 음과 양의 전하가 균형을 이룬다. 심지어 전하가 떨어져 있어도 음과 양전하 사이에 균형을 맞추려는 힘이 작용한다.
Since black holes don't have hair, you can't rub a balloon against them. But, a black hole can have charge. This might happen if say, a statically charged balloon is carried across the event horizon, but not the head of hair with the balancing charge.
블랙홀은 머리카락이 없기 때문에 풍선을 문지를 수 없다. 하지만 블랙홀은 하전될 수 있는데 전하를 가진 풍선이 사건의 지평선을 넘는 경우다. 어쨌든 머리카락을 이고있는 머리는 전기적 중성이다.
However, there is a force of electrostatic attraction between the positive and the negative which like gravity, will pull these two objects together. This means that any charged black hole will attract the opposite charge and eventually, it will become neutral. Most black holes are theorized to be neutrally charged.
어쨌든 질량을 가진 두 물체 사이에 중력이 있듯이 음과 양전하 음과 양전하를 띈 두 물체 사이에 정전기력이 존재한다. 이는 하전된 블랙홀도 반대 전하를 띈 물체를 끌어 들여 마침내 중성화 될 것이라는 뜻이다. 대부분 블랙홀은 이론적으로 전기적 중성이다.
The opposite is true for black hole spin. We mostly talk about black holes that have no spin. But, what would happen if say, I throw a frisbee that is rotating in? Any of the angular momentum carried by the frisbee will have to be transferred to the black hole once it crosses the event horizon. A Schwarzschild black hole is a non spinning black hole, and these types of black holes aren't very realistic. Out in space, even a spinning frisbee is enough to impart spin on a black hole.
블랙홀의 자전에 대해서도 마찬가지다. 블랙홀은 자전하지 않는 것으로 알려졌다. 하지만 블랙홀을 향해 회전하는 원반, 프리스비를 던지면 어떻게 될까? 원반이 사건의 지평선을 넘으면 회전 운동량이 블랙홀로 전달될 것이다. 슈발츠쉴트 블랙홀은 자전하지 않는다(원운동량에 대한 고려가 없다). 하지만 이런 블랙홀은 아주 사실적이지 못하다. 우주에는 프리스비 조차 회전 하는데 블랙홀이 자전하게 만들 요소는 충분하다. (자전하지 않는 천체가 있을까?)
We've spent an awful lot of this lesson telling you what you can't measure about black holes. So now we need to ask what you can measure. Well, a black hole all by itself isn't going to tell you everything you want to know. A second object is required, something that's big enough and even bright enough for us to see which will interact with the black hole and therefore reveal its secrets.
블랙홀의 관측에 관한 몇가지 요건들에 대해 알아봤다. 이제 블랙홀을 관측하려면 무엇을 해야 할지 물어볼 차례다. 블랙홀 자체만으로는 아무것도 알아낼 수 없다. 뭔가 두번째 천체가 필요하다. [동반성을 통해 간접적으로 블랙홀을 관측] 그 천체는 우리가 관측할 수 있을 만큼 크고 밝아야 하며 블랙홀과 상호작용 중이어서 블랙홀의 비밀을 드러내 주길 바란다.
I'm leaving you in good hands, but before I go, may the Schwarzschild be with you.
여기 까지다. 나는 마치지만 공부하는 내내 슈발츠쉴트의 가호가 당신과 함께하길 빈다.
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