블랙홀을 예측한 잊혀진 사제 - 1783년

과학자들이 블랙홀의 존재를 받아들이기 거의 200년 전, 존 미셸이라는 영국의 성직자가 이 이상한 우주 물체에 대한 놀라울 정도로 예지력 있는 아이디어를 발표했습니다. 왜 그의 작품은 더 잘 알려지지 않을까요?

블랙홀의 존재는 당혹스러운 생각이며, 특히 수십억 개가 우주에 존재할 수 있다는 생각에 비추어 볼 때 더욱 그렇습니다. 20세기 수십 년 동안 저명한 물리학자들은 블랙홀이 실제로 존재할 수 있다는 것을 믿기를 거부했고 , 수학에서 예측한 바를 무시했습니다. 이러한 회의론자 중에는 알베르트 아인슈타인도 포함되었는데, 그는 일반 상대성 이론으로 블랙홀을 가능하게 했습니다 (" 아인슈타인과 그의 동료들이 블랙홀에 '비이성적으로 저항'했던 이유 " 참조 ).

하지만 블랙홀에 대해 놀라운 선견지명을 보인 사람이 한 명 있었습니다. 아인슈타인이 태어나기 훨씬 전부터 그랬습니다. 뉴턴의 법칙만을 사용하여, 잘 알려지지 않은 영국의 성직자 존 미셸은 18세기에 천문학적으로 이상한 이 물체들을 중요하고 놀라운 방식으로 예상했습니다. 미셸은 누구였고, 무엇을 예측했으며, 왜 그의 아이디어는 대부분 잊혀졌을까요?

"뉴턴의 기독교"를 따르는 존 미셸 목사는 블랙홀에 대해 놀라울 정도로 예지력이 뛰어났다(삽화: 윌리엄 블레이크의 벤 플랫스-밀스)

미셸은 1724년 영국 이크링 마을에서 본당 목사인 길버트 미셸과 그의 아내 오비디언스 제러드의 아들로 태어났습니다. 남동생과 여동생과 함께 집에서 교육을 받은 존은 재빠른 학습 능력과 통찰력으로 일찍부터 명성을 얻었습니다. 역사가 러셀 매코맥 에 따르면 , 그의 아버지 길버트는 존을 "지금까지 만난 사람 중 가장 똑똑한 사람"이라고 묘사한 가족 친구를 인용하는 것을 좋아했습니다. 길버트는 사고의 독립성을 중시했으며, 자신을 "세상의 어떤 단체나 교파에도 얽매이지 않는다"고 묘사했습니다. 가족은 위도주의적 기독교를 따랐습니다. 이 전통은 과도한 교리보다 이성을 중시했으며 아이작 뉴턴이 지도한 케임브리지 대학에서 시작되었습니다. 그래서 존이 대학에 진학할 때가 되었을 때, 그가 간 곳은 케임브리지였습니다.

풍부한 커피숍과 단 400명의 학생으로 이루어진 친밀한 커뮤니티를 갖춘 이 대학은 지적 담론을 위한 이상적인 환경이었습니다. 미셸은 히브리어, 그리스어, 산수, 신학, 지질학을 포함한 다양한 학문을 공부하고 가르치며 20년 이상 다양한 직책을 맡아 그곳에 머물렀습니다. 그는 헌신적인 실험주의자였으며, 다른 전기 작가인 아치볼드 게이키가 말했듯이 "자신만의 기구를 만드는 것을 좋아했습니다... 퀸즈[대학]의 그의 방은 모든 도구와 기계로 가득 차서 때때로 작업장처럼 보였습니다." 또한 그가 과학적 선견지명에 대한 능력을 보이기 시작한 것도 케임브리지 시절이었습니다.

1750년에 그는 자기에 대한 논문을 발표하여 적어도 하나의 완전히 새로운 법칙인 "역제곱 법칙"을 도입하여 항해에 자석을 적용하는 것을 더욱 발전시켰습니다. 1760년에 그는 지진의 역학에 대한 논문을 발표 하여 현재 지구의 "지각"을 구성하는 것으로 알려진 지구의 층상층을 설명하고 지진이 파동의 형태로 이러한 층을 어떻게 통과하는지 보여주었습니다. 그는 또한 1755년의 리스본 대지진의 진원지와 초점을 추정하는 방법을 보여주었고 해저 지진이 쓰나미를 일으킬 수 있다는 아이디어를 탐구했습니다.

1764년 케임브리지를 떠난 후, 그는 사라 윌리엄슨과 결혼하고 요크셔의 쏜힐로 이사하여 교구 목사로서 아버지의 발자취를 따랐습니다. 사라가 이듬해 사망하고 미셸은 1773년 앤 브렉녹과 다시 결혼했습니다. 그는 교회에서 일하는 것 외에도 당시의 다양한 자연 철학자와 지식인, 미국의 박식가 벤저민 프랭클린과 서신을 주고받았습니다.

21세기 관점에서 과학 생활의 중심에 기독교 교회 직원이 있다는 생각은 놀랍게 보일 수 있습니다. 하지만 대부분의 18세기 지식인들처럼 미셸은 종교와 과학을 구분하지 않았을 것입니다. 1600년대 초 망원경이 도입되면서 유럽 전역에 큰 철학적 격변이 일어났습니다. 신의 창조물인 지구와 하늘의 고정되고 관찰 가능한 위계는 과학 역사가 알렉상드르 코이레가 "무한하고 무한한 우주"라고 부르는 것에 의해 전복되었고, "근본적인 구성 요소와 법칙"을 관찰하여 이해해야 했습니다. 하지만 미셸과 같은 사상가들에게 이 혁명은 신을 대체하지 않았고, 그저 신의 신비를 새롭게 했습니다. 조사 중인 자연 법칙은 여전히 ​​신의 법칙이었습니다.

뉴턴이 1704년에 ​​썼듯이 , "[신에 대한] 우리의 의무와 서로에 대한 의무는 자연의 빛으로 우리에게 드러날 것입니다." 미셸은 이 뉴턴적 기독교를 따랐습니다. 매코맥이 말했듯이, "그의 종교의 진리는 자연의 진리와 일치했습니다." 그래서 미셸은 본당의 의무와 함께 점차 우주론, 특히 중력의 본질에 주의를 기울였습니다. 이것은 그가 자신의 죽음 이후 오랜 세월 동안 혁명적이고 예언적인 작품을 만들어낸 영역이었습니다.

Michell과 마찬가지로 런던 교회의 사제석에 묘사된 Isaac Newton은 신앙과 과학 사이에 어떠한 구분도 보지 못했습니다. (출처: Getty Images)

미셸은 3m(10피트) 반사 망원경을 직접 제작했고, 1767년에는 눈에 보이는 별을 연구하는 데 새로운 수학적 통계 방법을 적용한 최초의 사람이 되었으며, 플레이아데스와 같은 성단은 무작위 분포로 설명할 수 없으며 중력적 인력의 결과여야 한다는 것을 보였습니다.

1783년, 미셸의 친구 헨리 캐번디시는 미셸이 새롭고 더 큰 망원경을 만드는 데 어려움을 겪고 있다고 편지 를 썼습니다 . "만약 당신의 건강이 그것을 계속할 수 없게 된다면," 그는 썼습니다. "적어도 세상을 저울질하는 일을 더 쉽고 덜 힘들게 할 수 있기를 바랍니다." 이것은 농담처럼 들리고, 아마도 웃기려고 했을지 모르지만, 캐번디시는 진짜 노력을 언급한 것입니다.

미셸은 지구의 밀도를 납추 사이의 중력적 인력을 측정하여 추정할 수 있는 장치인 토션 저울을 연구하고 있었습니다 . 미셸은 이 장치를 사용하기 전에 사망했지만 그의 사후에 1797년에 실험을 수행한 캐번디시에게 넘겨졌습니다. 그는 지구의 밀도를 현재 받아들여지는 값의 1% 이내로 계산했습니다. 캐번디시의 결과의 정확도는 1895년까지 초과되지 않았으며, 미셸의 장치의 변형은 오늘날에도 우주 전체에 작용하는 중력적 인력의 강도인 중력 상수를 측정 하는 데 사용됩니다.

블랙홀 예측

캐번디시의 편지와 같은 해에 미셸은 과학적으로 덜 지속 가능했지만 아마도 그의 지각력에서 가장 뛰어났던 가설을 담은 논문을 발표했습니다 . 뉴턴의 원리를 사용하여 별의 밀도가 중력이 다른 근처 천체, 예를 들어 다른 별이나 혜성의 궤도에 영향을 미치는 방식을 관찰하여 어떻게 확립될 수 있는지 설명하는 것으로 시작했습니다. 그런 다음 미셸은 빛의 행동을 비슷한 목적으로 사용할 수 있는 방법에 대해 논의했습니다.

"이제 빛의 입자가 우리가 알고 있는 다른 모든 물체와 같은 방식으로 끌린다고 가정해 보자... 중력은 우리가 아는 한, 또는 믿을 만한 이유가 있는 한, 자연의 보편적 법칙이므로 이에 대해서는 의심의 여지가 없다."

빛의 입자 또는 "입자" 이론은 약 80년 전에 아이작 뉴턴이 제안 했고 , 아무도 증명하지 못했지만 미셸의 시대에는 지배적인 믿음으로 남았습니다. 미셸은 중력 하에서 빛의 거동이 별의 밀도를 계산하는 방법을 제공할 수 있다고 설명했습니다. 특히 별이 "빛의 속도에 영향을 미칠 만큼 충분히 크다면" 특히 그렇습니다. 현재로서는 중력이 빛의 속도에 미치는 영향에 대해 그가 틀렸다고 생각하지만(빛은 느려지지 않음), 그의 추론은 타당했습니다.

같은 원리로, 미셸은 가장 거대한 천체의 중력이 자신의 빛줄기를 완전히 압도할 수도 있다는 것을 추론했습니다. 이번에는 옳았습니다. 별이 이를 달성하려면 태양과 같은 밀도와 약 500배의 크기가 필요합니다. 빛은 처음에는 그러한 별에서 빠져나와 근처 궤도를 도는 행성으로 이동하지만, 미셸은 "자체 고유 중력에 의해 다시 그 별을 향해 돌아올 것"이라고 설명했습니다.

그러한 별의 빛은 우리에게 도달할 수 없으므로 "우리는 시각으로부터 아무런 정보를 얻을 수 없다"고 합니다. 하지만 우리는 보이지 않는 별의 중력으로 인해 근처에 있는 다른 천체들의 궤도에 불규칙성이 생겨서 그 정보를 감지할 수는 있을 것입니다. "이것은 다른 가설로는 쉽게 설명할 수 없는 것입니다."

Michell은 이러한 추측이 "현재의 목적과는 다소 어긋난다"고 설명했지만, 아마도 뉴턴 물리학에서 가능한 블랙홀 개념에 가장 근접한 근사치를 포함하고 있으며, 이를 식별하는 작업 방법의 개요도 포함하고 있습니다. Michell이 ​​제안한 방식대로 이웃 별의 궤도를 통해 여러 개의 블랙홀이 감지 되었습니다. 망원경 이미지가 간접적인 증거를 확인한 것은 불과 몇 년 전의 일입니다 .

McCormmach에 따르면, 보이지 않는 별의 존재는 당시 과학자들 사이에서 비교적 흔한 생각이었다. Michell이 ​​논문을 발표한 해에 다른 여러 천문학자들이 멸종한 별에 대해 서신을 주고받았다. 1805년에 천문학자 Edward Pigott은 " 한 번도 밝기를 보이지 않은 " 별의 가능성을 제안하는 논문을 발표했다 . 별의 실제 수는 결코 알 수 없지만, "그렇다면 별의 수가 빛을 받은 별의 수와 같다고 가정하는 것은 너무 대담하거나 공상적일까요?"라고 그는 물었다. 프랑스에서 박식가 Pierre-Simon Laplace는 1790년대 후반에 Michell과 독립적으로 어두운 별의 개념을 홍보했다 .

그러나 얼마 지나지 않아 새로운 실험이 빛이 질량이 큰 입자가 아닌 파동으로 구성되어 있다는 생각에 힘을 실어주었고, 중력에 의해 변형되거나 갇힐 수 있다는 제안은 더 이상 유행하지 않게 되었습니다. 미셸의 천문학적 연구는 잊혀졌고 20세기 후반에야 재발견 되었습니다.

물리학자 킵 손은 1994년 저서 블랙홀과 시간 왜곡 에서 미셸과 그의 동시대 사람들이 중력적으로 보이지 않는 별이라는 개념을 열렬히 받아들인 것과 "20세기에 널리 퍼진 거의 보편적인 블랙홀에 대한 저항" 사이의 "현저한 대조"를 설명합니다. 그는 미셸의 어두운 별이 이국적이기는 했지만 "자연에 대한 소중한 믿음에 위협이 되지 않았고" "물질의 영구성과 안정성"에 도전하지 않았다는 것이 결정적인 차이점이라고 결론지었습니다. 매코마크가 지적했듯이, 현대의 블랙홀은 정확히 "공간-시간의 구멍, 아무것도 빠져나갈 수 없는 무한한 우물"입니다. 그럼에도 불구하고 매코마크는 "창조의 작품에서 '우리가 발견하는 무한한 다양성'을 인정한 미셸은 우리의 블랙홀에 아무런 문제가 없을 것"이라고 추측합니다. 이 주장을 검증할 방법은 없지만, 미셸의 탁월한 과학적 상상력과 뉴턴의 이성 전통에 대한 그의 헌신을 고려하면 매력적인 주장으로 보입니다. 

16세기의 이 그림에서 한 노인이 지구 너머를 바라보며 더 넓은 우주의 진정한 작용을 보고 있습니다. (출처: Getty Images)

미셸은 1793년 4월 21일에 68세의 나이로 사망했으며, Thornhill에서 끝까지 교장으로 남았습니다. 그의 시대의 다른 지식인들은 훨씬 더 잘 알려졌고 지금도 그렇습니다. 그들은 더 자주 출판했고 더 인기 있는 주제에 대해 출판했습니다. 반면 미셸은 그의 코를 따랐습니다. McCormmach의 말에 따르면, 그는 "어떤 분야에서든 자신에게 관심 있는 과학적 문제를 다루었고, 원하는 만큼만 추구했으며 그 이상은 추구하지 않았습니다. 그리고 그는 원할 때만 자신의 작품을 출판했고, 그가 그것에 완전히 만족했을 때만 출판했습니다." 이것은 사후 그의 모호함을 어느 정도 설명하는 데 도움이 됩니다. 그는 지적 자유의 이름으로 영향력과 명성을 희생했습니다.

알렉산드리아의 천문학자 이븐 알-하이삼이 뉴턴보다 700년 앞서 지적했듯이 , "진실을 추구하는 사람"은 권위자를 신뢰하는 사람이 아니라 "오히려 권위자에 대한 자신의 믿음을 의심하는 사람... 논증과 증명에 복종하는 사람"입니다. 이 전통을 따르는 미셸은 아버지처럼 독학자였으며, 어떤 "인간의 단체나 교파"에도 집착하지 않음으로써 과학적 성실성을 보호했습니다.

미셸의 독립성은 그에게 독창적 사고에 필수적인 또 다른 자유, 즉 상상력을 허용했습니다. McCormmach에 따르면, 그는 천문학을 특별히 선택했는데, 그것은 이론에 대한 새로운 전망을 제공했기 때문입니다. 과학적 상상력에 대한 열정으로 미셸은 오늘날 이론 물리학자들의 창의성을 예상했습니다. 아인슈타인이 1929년에 말했듯 이 , "상상력은 세상을 둘러싼다."