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[00:00:06] The relationship between light and gravity is fundamental to our understanding of black holes. In order to tie these ideas together, we will have to relearn the concepts of gravity, space, time, and light that we've been presented in our favorite movies,
빛과 중력의 관계를 이해가 블랙홀을 이해하는 초석이다. 중력, 공간, 시간 그리고 빛에 대해 다시한번 되새겨보자.
TV shows and other great works of art. Popular culture doesn't always get the science behind these concepts right. But it's surprising how scientific accuracy informs spectacular effects in movies like in Interstellar. The scientific foundation for black holes has been built by hundreds of scientists contributing ideas throughout history. But one unmistakable scientist was responsible for the biggest developments, Einstein.
대중매체에서 묘사된 블랙홀은 '인터스텔라'처럼 무난한 경우도 있으나 대부분 과학적 근거를 가지고 있지 않다. 블랙홀에 대한 과학적 토대는 역사적으로 수많은 과학자들에 의해 쌓여 왔다. 게중에 가장큰 업적은 아인슈타인에 의해 이뤄졌다.
Einstein's theory of gravity, describes the gravitational attraction between massive objects, such as a star or a black hole, by associating the force of gravity with an equivalent curvature of space, sort of like this curved sheet.
아인슈타인의 중력법칙은 질량을 가진 물체, 블랙홀이나 별처럼 거대 질량, 사이에 '중력 끌림'을 설명한다. [뉴튼의 만유인력은 질량체 사이에 끌어당기는 힘을 표현한다. 그 힘이 어떤것인지 실체에 대해서 설명하지 못했다. 아인슈타인의 중력이론은 그 끌림을 공간의 휨으로 설명했다.]
All physical objects including rocketships and individual particles of light called photons, travel on curved spacetimes similar to the curved path that these marbles follow. In this simple demonstration, we have an up and down direction defined by the earth's gravity, which gives us the effect of the marbles orbiting around the central depression.
우주선, 구슬, 심지어 빛의 입자 '광자'를 포함하여 모든 물리적 객체들은 '굽은 시공간(curved spacetimes)' 에서 운동한다. '굽은 시공간'을 시각적으로 표현 하자면 아래 처럼 가운데가 폭 파인 곡면이라 하겠다. [굽은 시공간에서 물체의 운동을 직관적으로 보여주긴 하지만 매우 오해를 할만한 모습이기도 하다. 외곽에서 구슬을 놓으면 가운데 방향으로 빨려들어간다. 지구 중력이 구슬을 당기기 때문이다. 구슬을 원주 방향으로 살짤 밀어 놓으면 원호를 그리며 중심으로 빨려 들어간다. 조금 세게 던지면 곡면을 탈출 할 수도 있다.]
[00:01:29] In outer space, near a star or a black hole, we don't have earth's gravity holding the marbles down on the curved sheet. Instead, we recognize gravity as curvature of space and time. This curved sheet provides valuable insight into how we can imagine the warping of spacetime.
저 곡면을 들고 우주로 나가보자. [무중력 공간이라면 구슬은 움직이지 않는다. 구슬을 끌어당기던 중력이 없어졌기 때문이다. 무중력 공간에서는 시공간의 왜곡이 없다. 저 휘어진 원반은 중력에의한 시공간의 왜곡을 직관적으로 보여준다.]
A black hole is a region of space where the force of gravity becomes so strong that the curvature of spacetime prevents light from escaping. In this curved sheet model, imagine that a marble represents light.
엄청난 중력이 작용하는 블랙홀 근처로 가져가보자. 빛조차 블랙홀로 빨려 들어간다. 위의 곡면 모형에서 구슬을 '광자'라고 해보자.
If the marble is aimed away from the center and tossed with a high enough speed, the marble is able to escape from the depression in the center. The region outside of a black hole or a normal star is like this. Light that is emitted from objects in the neighborhood of a black hole are still able to escape.
만일 구슬이 충분히 큰 속도로 원주방향으로 던져 졌다면 원반 밖으로 튕겨나갈 것이다[탈출속도]. 블랙홀 중심에서 충분히 먼 거리의 별에서 방출된 빛은 블랙홀로 빨려들어가지 않고 우리에게 도달한다.
[00:02:25] But there is a special spherical boundary surrounding the black hole, which scientists call the event horizon. Once a marble falls within the event horizon, it must continue falling inwards.
[빛의 속도는 불면이다] 빛이 중력에 의해 끌려 들어가는 경계가 있을 것이다.[물론 블랙홀의 크기에 의해 결정된다.] 과학자들은 이 경계선을 '사건의 지평선' 이라고 부른다.
You could try to aim a marble outwards, but you'd never be able to make the marble go fast enough that it can escape.
블랙홀에 빨려들어가지 않으려고 구슬을 한없이 빠르게 던질 순 없다. 최고속도는 빛의속도다.
[00:02:46] To some people, the concept of a black hole is terrifying. A black hole represents an inescapable vortex, whose strength can stretch astronauts into spaghetti, and even eat whole stars. Falling into a black hole is irreversible, and once inside, there is no opportunity to escape ever. To characterize this fear of black holes, people use the word melanoheliophobia, the fear of black holes. Much of that fear is misguided, as you will see, in black holes come in various flavors that are not equally dangerous. That's good news if you are among those who suffer from melanoheliophobia, so sit tight.
블랙홀에 일단 잡히면 빠져나올 방법은 없다. '블랙홀 공포증(melanoheliophobia)'을 앓는 사람도 있다고 한다. 그런 사람들은 블랙홀에 잡혀먹히는 공포를 가지고 있단다[외로움에서 비롯된 마음의 병이다. 잘 위로하자].
[00:03:30] There is another misconception about black holes: that they suck things towards them. All astrophysical objects like the sun, the earth, and black holes have gravity, and gravity is an attractive force.
블랙홀에 대한 잘못된 개념중 하나가 모든것을 빨아들인다는 것이다. 그렇지 않다. 영향력 범위안에 있는 물질들을 빨아들인다. 그 범위는 만유인력으로 결정된다.
This means that just as marbles are attracted by gravity to the earth, so too are they influenced by the gravity of other objects. If we throw a marble directly towards the earth, or the sun, or a black hole, then just like the marble on this curved sheet, the throne marble traveled directly towards the central depression. The strength of the gravitational depression depends on the mass of the object causing it.
[00:04:11] A star and a black hole with equal mass, even though they are different sizes, produce the same gravitational attraction far from their centers. If this depression represents a star, then the stars surface is big and the marble enters the star and is burned up. Traveling directly towards a star is a recipe for crispy bacon.
동일한 질량의 블랙홀과 별이 있다고 하자. 중심을 향한 중력은 동일하다. 단 크기차가 엄청나게 다르다. 중심에서 한참 먼 거리에서 느끼는 중력은 블랙홀이든 별이든 같다. 별은 중력 수축으로 불을 피운다[핵융합반응]. 엄청나게 넓은 표면으로 에너지를 방출한다.
[00:04:33] Now, let's pretend this depression represents a black hole. The gravity is exactly the same, but the black hole is much smaller than the star. So marbles can travel deeper into the depression before we lose track of it. When a marble enters the black holes event horizon, the curvature due to gravity prevents it from escaping and it becomes lost to us forever.
블랙홀의 경우를 보자. 같은 질량의 별과 동일한 중력을 가진다. 하지만 크기는 별에비해 매우 작다. '사건의 지평선'을 넘어 안으로 들어가는 순간 빠져나올 수 없으며 우리눈에서 사라진다.
[00:04:58] So, even though directly traveling towards a star is a recipe for crispy bacon, traveling directly towards a black hole is a recipe for no bacon at all.
별을 향해 들어가면 결과는 뻔하다. 타없어질 것이다. 블랙홀을 향해 들어가면 기묘한 일을 경험하게 될 것이다. [별의 경우와 달리 블랙홀은 거대한 중력 중심부에 가깝게 접근할 수 있다.]
[00:05:10] Instead of traveling directly towards a star or a black hole, we can instead travel safely around it in orbital paths similar to how this marble can be made to circle or orbit around the depression.
별이든 블랙홀이든 안전한 거리에서 공전할 수 있다. 질량이 같다면 당연히 공전궤도의 반경도 같다.
Since the curve sheet in our demonstration has friction, the marbles eventually lose energy and fall in towards the center. However, in space, there is virtually no friction, so it is possible for orbits to be stable for extremely long periods of time. For instance, the earth has been orbiting the sun for close to five billion years, and will continue to orbit it for several billion more years.
진공에 가까운 우주에서 공전궤도는 매우 안정되어 있다. 아주 오랜기간 공전을 유지한다. 일예로 지구는 태양 주위를 오십억년 가량 돌고 있고 앞으로도 수십억년은 더 돌것이다.
[00:05:48] The idea that gravity is really just the curvature of spacetime is a tough concept, which requires some knowledge of Einstein's theory of gravity called general relativity, which we will be introduced too later on in this course.
시공간의 곡율이라는 개념은 이해하기 아주 어렵다. 아인슈타인의 중력법칙의 이해를 필요로 한다. 이 강좌의 후반부에 다뤄질 것이다.
However, we can still get a taste of black hole physics by making use of an older less accurate description of gravity created by Sir Isaac Newton. In fact, several 18th century physicists were able to deduce the idea of a star, whose light can't be seen using just their knowledge of Newton's theory of gravity along with the value for the speed of light.
Since the concepts of light and gravity are so important for understanding black holes, we will review the basics of light, Newtonian gravity, and some elementary physics principles as our starting point.
중력의 이해를 뉴튼의 만유인력 법칙부터 시작해보자.
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