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<colbgcolor=#000><colcolor=#fff,#ddd> 카를 슈바르츠실트 Karl Schwarzschild |
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| 출생 | 1873년 10월 9일 | ||
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독일 제국
프랑크푸르트 (現 독일 프랑크푸르트) |
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| 사망 | 1916년 5월 11일 (향년 42세) | ||
| 독일 제국 괴팅겐 | |||
| 학력 |
스트라스부르 대학교 뮌헨 대학교 (박사) 괴팅겐 대학교 (교수) |
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| 소속 | 프로이센 과학 아카데미 | ||
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<colbgcolor=#000><colcolor=#fff,#ddd> 종교 | 유대교 | |
| 국적 |
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| 배우자 | 엘세 로젠바흐 (1909년 결혼) | ||
| 자녀 | 딸 아가테 손톰 (1910-2006)[1] | ||
| 아들 마르틴 슈바르츠실트 (1912-1997)[2] | |||
| 아들 알프레트 슈바르츠실트 (1914-1944)[3] | |||
| 서명 |
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1. 개요
카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild, 1873년 10월 9일 ~ 1916년 5월 11일)는 독일의 물리학자·천문학자이다.일반 상대성 이론에서 중력장을 결정하는 아인슈타인 방정식의 첫 엄밀해를 유도한 것으로 유명하다. 그의 업적을 기려 이 해를 슈바르츠실트 해라 부르며, 이로부터 유도되는 대전량과 각운동량이 매우 작은 블랙홀 유형을 슈바르츠실트 블랙홀이라고 부른다.
2. 생애
카를 슈바르츠 실트는 1873년 10월 9일 독일 프랑크푸르트(Frankfurt)에서 유대인 가족의 여섯 남매 중 첫째로 태어났다.1897년부터 그는 빈의 커프너 천문대(Kuffner Observatory)에서 조수로 일하였고, 1901년부터 1909년까지는 괴팅겐 대학 소속 천문대(Göttingen Observatory)에서 교수직을 맡는다. 이곳에서 그는 천문대의 감독이 되었고, 엘스 로젠바흐(Else Rosenbach)와 결혼하였다.
1915년에는 러시아 전선에서 복무하다 희귀 자가면역 피부 질환 천포창(天疱瘡, Pemphigus)에 걸렸으나, 그는 고통을 인내하며 두 개의 상대성 이론 논문과 한 개의 양자역학 논문을 작성하였다. 그 중 하나는 잘 알려진 슈바르츠실트 해에 관한 논문이다.[4][5][가]
1916년 3월 슈바르츠실트는 병의 악화로 복무를 마쳐 괴팅겐으로 돌아갔고, 2개월 뒤인 1916년 5월 11일 사망하였다.[7]
3. 업적
그의 업적은 천체 역학(Celestial Mechanics), 측광학(Photometry), 천문학, 양자역학, 상대성 이론 등에 광범위하게 남겨져 있다.(1) 측광학(Photometry)
슈바르츠실트 법칙(Schwarzschild law)은 노출의 효과(광감성 물질의 불투명도)를 나타내는 [math(E)], 조도 [math(I)], 노출 시간 [math(t)], 슈바르츠실트 계수 [math(p)]에 대하여,
[math(E = It^p)]
임을 뜻한다.
3.1. 상대론
프로이센 과학 아카데미의 회원이었던 슈바르츠실트는 같은 회원인 아인슈타인이 1915년 11월에 발표[Einstein(1915)]한 수성의 근일점 이동 문제 해결에 흥미를 느꼈다. (그의 강연을 직접 본 것은 아니었는데, 슈바르츠실트는 러시아 전선에서 복무중이었다. 참고로 주로 탄도학 계산을 수행했다.) 물리 천문학자로서 이는 주목하지 않을 수 없는 성과였지만 그는 아인슈타인의 근사적 해법에 의문을 가지고 중력장 방정식을 직접 풀어 12월 22일 편지를 보내 아인슈타인에게 그의 해법을 보여주었다. 아인슈타인은 12월 29일 답장을 보내 다음과 같이 화답하였다.
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그 문제에 대한 유일성을 증명하는 당신의 계산은 매우 흥미로웠습니다. 곧 출판할 수 있기를 빕니다! 질점 문제에 대한 엄밀한 접근이 그토록 간단하리라고는 생각하지 못했습니다.
Ihre Rechnung, die den Eindeutigkeitsbeweis für das Problem liefert, ist höchst interessant. Hoffentlich veröffentlichen Sie dieselbe bald! Ich hätte nicht gedacht, dass die strenge Behandlung des Punktproblems so einfach wäre. |
아인슈타인은 일반 상대성 이론의 모든 것을 결정하는 아인슈타인 방정식을 만들었으나, 매우 복잡하여(비선형 + 편미분) 엄밀한 접근은 고려한 적이 없었다. 그런데 1달만에 이와 같이 엄밀해가 눈앞에 놓이니 놀라지 않을 수 없었다. 슈바르츠실트는 군복무 중이었으므로 아인슈타인에게 원고를 보내주고 아인슈타인이 1월 13일에 대신 학회에 제출해주었다.[Schwarzschild(1916a)] 참고로 아인슈타인이 유도한 궤도 방정식 자체는 정확하여 슈바르츠실트, 그리고 현재의 풀이와 다르지 않다.
(1) 슈바르츠실트 해(Schwarzschild solution)
회전하지 않고, 구형 대칭인 천체의 외부 중력장 해를 나타낸다. 이 해는 버코프 정리에 의해 진공과 구형 대칭 조건을 만족시키는 유일한 해임이 증명되었는데, 따라서 이 조건을 만족시키는 경우 천체가 시간에 따라 변하더라도(중력 붕괴 등) 중력파가 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 슈바르츠실트가 원래 제시한 해는
| [math(\displaystyle ds^2 = \left(1-\frac{r}{R}\right)dt^2 - \frac{dR^2}{1-\frac{r}{R}} - R^2(d\theta^2 + \sin^2\theta d\phi^2) \quad \left(R = (r^3 + \alpha^3)^\frac{1}{3}\right))] |
와 같은데, 이 해에서는 좌표 특이점이 존재하지 않는다.[Schwarzschild(1916a)] 현재의 슈바르츠실트 해는 이것과 조금 다르며, 슈바르츠실트 반지름이라 부르는 [math(r = 2GM/c^2)]에서 좌표 특이점이 나타난다. 이 해는 수학자 힐베르트 등이 처음 제시하였다.
[math(\displaystyle ds^2 = -\biggl(1 - \frac{r_s}{r} \biggr)c^2dt^2 + \biggl(1 - \frac{r_s}{r} \biggr)^{-1} dr^2 + r^2d\Omega^2)] [11]
(2) 슈바르츠실트 내부 해(Interior Schwarzschid solution)
회전하지 않고, 구형 대칭인 천체(완전 유체)의 내부 중력장 해를 나타낸다. 내부 밀도가 일정하다고 두면 이 해를 유도할 수 있다.[Schwarzschild(1916b)]
4. 여담
독일의 독일 천문학회에서는 매년 뛰어난 업적을 남긴 천문학자, 천체물리학자에게 그의 이름을 딴 "카를 슈바르츠실트상"(Karl Schwarzschild Medal)을 수여한다.[13]
[1]
1933년에 나치가 집권하자 영국으로 이주했다가 1947년에 다시 뉴질랜드로 이민을 갔다. 고전학 교수로 활동했다.
[2]
1936년에
미국으로 건너가 천체물리학자로 활동했다. 주로 항성의 구조와 항성진화에 관한 연구를 했다.
[3]
꽤 장수한 형제들에 비해 일찍 죽었는데,
나치 독일 기간에 유대인 과학자라는 이유로
홀로코스트에 휘말려 사망했다.
[4]
(영역 Lluís Bel) Uber das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einstenschen Theorie ,Karl Schwarzschild
https://doi.org/10.48550/arXiv.0709.2257
[5]
(한국물리학회)물리 이야기 - 칼 슈바르츠쉴트
https://webzine.kps.or.kr/?p=5_view&idx=16682
[가]
아인슈타인의 이론에 따른 질량 점의 중력장에 대해서 (Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie) Royal Prussian Academy of Science (Reimer, Berlin 1916, pp. 189-196) 저자: 카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)
https://ko.wikisource.org/wiki/%EC%95%84%EC%9D%B8%EC%8A%88%ED%83%80%EC%9D%B8%EC%9D%98_%EC%9D%B4%EB%A1%A0%EC%97%90_%EB%94%B0%EB%A5%B8_%EC%A7%88%EB%9F%89_%EC%A0%90%EC%9D%98_%EC%A4%91%EB%A0%A5%EC%9E%A5%EC%97%90_%EB%8C%80%ED%95%B4%EC%84%9C
[7]
천포창은 당시에는 원인이 알려지지 않은 불치병이었고(1964년에
자가면역질환이라는 사실이 밝혀졌다), 이 때는 항생제가 개발되기 이전이라 천포창에 따른 2차 감염에 대처하기도 어려웠기 때문에 전쟁이 아니었어도 천포창이 발병한 이상 오래 살아남지는 못했을 것이다.
[Einstein(1915)]
Albert Einstein (1915). "Erklärung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie". Sitzungsberichte der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften. 831–839.
[Schwarzschild(1916a)]
Karl Schwarzschild (1916). "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften. Berlin: 189–196.
[Schwarzschild(1916a)]
Karl Schwarzschild (1916). "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften. Berlin: 189–196.
[11]
[math(\displaystyle r_s = \frac{2GM}{c^2})]는 슈바르츠실트 반지름이다.
[Schwarzschild(1916b)]
Karl Schwarzschild (1916). "Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften. Berlin: 424–434.
[13]
여담으로 가장 최근인 2023년에는 '토마스 헤닝(Thomas Henning) 이라는 천문학자가 별의 형성과 외계 생명체에 대한 연구,
제임스 웹 우주 망원경 프로그램에 참여한 공로를 인정받아 상을 받았다.