1. 양자물리학과 상대성 이론
양자물리학과 상대성이론은 현대 물리학의 근간을 이루고 있는 학문입니다. 먼저 양자물리학은 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계(미시세계)를 다루는 학문입니다. 소립자 수준에서는 뉴턴의 고전역학으로 들어맞지 않는 현상들이 많이 발견됩니다. 이것을 해결하고 설명해주는 학문이 바로 양자물리학입니다. 또한 상대성이론은 아인슈타인에 의해 만들어진 이론으로써, 처음 특수상대성 이론을 발표하고 그 후 일반상대성 이론으로 통합하게 됩니다. 이 학문은 자연에서의 시간과 공간이 가지는 물리적 의미를 설명해줍니다. 흔히 상대성이론은 시간과 공간이 상대적임을 밝힌 이론이라고 알려져 있습니다. 하지만 이 이론의 진정한 의미는 물리법칙이 언제, 어디서나 동일하다는 것을 확인한 이론이라고 할 수 있습니다.
2. 우주의 힘
현재 과학자들에 의해 우주에 존재하는 힘은 4가지로 분류됩니다. 먼저 질량을 가지고 있는 대상들 사이에서 끌어당기는 중력. 그리고 전기의 두 극(+와 -)사이에 작용하는 인력과 척력인 전자기력. 세 번째 힘은 약력으로 원자핵의 붕괴에서 나타나는 짧은 거리에서 작용하는 힘입니다. 한 원자에서 다른 원자로 바뀔 때 사용되는 힘입니다. 마지막으로 자연계에서 존재하는 가장 강한 힘인 강력이 있습니다. 이 힘은 원자 속의 핵을 결합할 때 쓰이는 힘입니다. 핵은 양성자와 중성자의 결합으로 이루어져 있는데 전자기력으로는 분명히 같은 극끼리는 밀어내는 힘이 작용하지만 강력에 의해 핵은 붕괴되지 않고 결합되어 있습니다.
3. 블랙홀과 화이트홀
초신성이 폭발을 일으켰을 때 그 폭발의 중심에 블랙홀이 남습니다. 블랙홀이란 강한 중력에 의해 모든 것을 삼키는 공 모양의 영역을 말합니다. 일단 블랙홀의 경계면(사건의 지평선)보다 안쪽에 삼켜진 물질이나 빛은 절대로 경계면보다 바깥쪽으로 탈출할 수 없습니다. 블랙홀의 배후에 있는 별에서 나온 빛은 블랙홀에 삼켜져 반대쪽으로 나아갈 수 없습니다. 블랙홀 자신도 빛을 내보내지 않으므로 문자 그대로 우주 공간에 생긴 검은 구멍처럼 보입니다.
블랙홀 내부의 중심에는 이론적으로 밀도가 무한대인 ‘점’이 있다고 생각됩니다(특이점). 특이점은 별(항성)의 중심부 물질이 스스로의 중력에 의해 파괴되어 생긴 것입니다. 태양의 20배 이상 되는 질량의 항성은 그 일생의 마지막에 초신성 폭발을 일으키고 블랙홀을 남게 됩니다. 블랙홀은 근원을 더듬으면 일반 상대성 이론에서 유도된 것입니다. 그 일반 상대성 이론은 나아가 기묘한 천체의 존재를 예언했는데 바로 화이트홀입니다. 원래 화이트홀은 블랙홀과 함께 그 존재가 예언되었습니다. 일반 상대성 이론을 바탕으로 항성 내부와 주위의 중력을 계산하는 식이 도출될 때, 그 식이 의미하는 것에는 블랙홀과 화이트홀 두 가지가 포함되어 있었습니다. 그에 따르면 블랙홀과 화이트홀은 서로의 시간을 뒤집는 관계에 있다고 합니다. 예컨대 공을 위로 던져 떨어질 때까지의 모습을 비디오로 촬영했다고 하면 이를 거꾸로 재생해 보면, 거꾸로 재생된 공의 운동은 전혀 물리 법칙에 어긋나지 않습니다(공기 저항 등의 영향은 무시한다.). 이처럼 물리학의 세계에서는 어느 현상에 대해 시간을 반전시킨 현상도 존재하는 것이 일반적입니다. 이를 통해 화이트홀의 성질을 알 수 있습니다. 즉 블랙홀은 누구도 그 내부에서 탈출할 수 없는 천체인데 비해, 화이트홀은 누구도 그 내부에 머무를 수 없는 천체입니다. 화이트홀은 그 내부의 특이점에 집중해 있는 질량을 물질과 빛 등으로 계속 뱉어 냅니다. 또한 블랙홀에 경계면이 있었던 것처럼 화이트홀에도 경계면이 있어 경계면 안쪽에서는 바깥쪽으로 이동할 수 있지만, 바깥쪽에서 안쪽으로는 빛조차 들어갈 수 없습니다.
