블랙홀의 사망 미스터리 > 행 성

만일 사상 수평선1)에 발만 빠진다면 어떻게 될까. 발에 엄청난 중력이 가해지면서 몸이 국수 가락처럼 길게 늘어나게 된다. 천체물리학계에서는 이를 ‘스파게티화(spaghettification)’라 칭한다. 1916년 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한 이래 모든 천체물리학자들이 믿고 있는 정설이다.

그런데 지난 몇 년간 새로운 가능성들이 제기되고 있다. 이들 연구는 스티븐 호킹 박사가 1970년대에 개략적으로 제기했던 패러독스를 풀기 위한 사고실험2)의 일환으로 이뤄졌다. 당시 스티븐 호킹은 현대 물리학의 양대산맥인 양자역학과 일반 상대성 이론이 블랙홀 근처에선 합당하지 않음을 입증했었다.

일반 상대성 이론은 거대한 물체들을 다루고, 양자역학은 아주 작은 물체들을 다루는 이론이다. 물리학자들은 세상만물을 연구하며 둘 중 하나를 적용하면 됐다. 은하단에는 일반 상대성 이론을, 입자가속기에는 양자역학을 적용하는 식이다. 그러나 블랙홀은 거대한 동시에 매우 작아 두 이론 모두 적용할 수가 없다.

미국 캘리포니아대학 샌타바버라 캠퍼스의 이론물리학자 조 폴친스키 박사는 바로 이 때문에 스파게티화 수수께끼가 흥미롭다고 말한다. 이 문제를 풀어낸다면 물리학의 양대산맥을 하나로 합쳐 ‘양자 중력’이라는 단일 이론을 만드는데 한걸음 더 다가설 수 있다는 것이다. “물리학자들의 궁극적인 지향점은 우주만물의 힘을 단 하나의 이론으로 설명하는 것입니다."

우리은하 블랙홀과는 상관없다?!

여기에서 묘사된 빛조차 빠져나갈 수 없는 블랙홀은 어디까지나 이론상의 존재다. 우리은하나 여타 거대은하의 중심에 위치한 초거대 블랙홀과는 상관이 없다. 이들 양자 블랙홀은 안정적이고 고립된 환경을 요한다. 또한 이들의 양자역학적 속성은 우주의 나이보다도 오래됐다.

여러 블랙홀 사망 이론을 실험으로 검증해볼 기회는 우리에게 없다는 얘기다. 이것이 호킹 박사와 함께 연구를 했던 캐나다 앨버타대학 이론물리학자 던 페이지 박사의 말이다.

“사람으로 직접 실험을 하기에는 이 이론들이 너무 늦게 제시됐어요. 중세시대라면 범죄자를 강제로 블랙홀에 던져볼 수도 있었을지 모르지만 지금은 불가능하죠. 학자들을 위해 블랙홀에 뛰어들 만큼 정신 나간 사람은 없을테니까요."

정보 역설((InformationParadox)

현재 블랙홀에 관한 논쟁들은 ‘얽혀있는 입자’, 다시 말해 양자역학적으로 상호 연결돼 있는 독립체의 입자들 중 일부가 사상 수평선을 넘었을 경우를 다룬다. 물리학자들에게 이는 단순히 사람이 블랙홀에 빠졌을 때의 결과를 논하는 것 이상의 흥미로운 주제다. 

실제로 사람이 아닌 외장하드를 던져 넣으면 그 안에 든 ‘정보’는 어떻게 될까. 1974년 호킹 박사는 정보도 소멸된다고 주장, 학계에 이슈를 불러왔다. 양자역학에 의하면 완전히 사라지는 정보는 없기 때문이다. 추후 호킹 박사가 입장을 바꾸기는 했지만 진실은 여전히 미궁 속에 있다.

1.기존 이론에 의하면 사람이 블랙홀에 뛰어들면 왜곡된 중력의 영향으로 국수 가락처럼 길게 늘어난다.

2.양자역학에 따르면 블랙홀에는 ‘불의 장벽(firewall)’이 쳐져 있다. 때문에 사상 수평선을 넘는 순간 불타 사라진다.

3.블랙홀의 중심에 웜홀이 존재한다면 입자는 무사히 은하의 다른 쪽으로 빠져나올 수 있다. (입자가 그렇다는 얘기지 사람이 멀쩡히 탈출할 수 없을 것이다.)

1. 전통적 관점

가설:일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀에서는 빛을 포함해 무엇도 빠져나갈 수 없다. 때문에 블랙홀은 주변의 모든 물질을 먹어치우며 커질 수밖에 없다. 그러나 1974년 호킹 박사는 양자역학의 ‘초짝(super&partner) 이론’에 의거해 블랙홀에서도 물질이 방출될 수 있다는 ‘호킹 복사’를 주창했다.

사상 수평선 근처에서 한쌍의 초짝 입자 생성돼 하나의 입자만 블랙홀에 빠지면 남은 하나의 입자는 소멸되지 않고 우주를 떠돌게 되고, 이 입자가 물질을 운반할 수 있으므로 블랙홀도 점차 질량이 줄어 증발될 수 있다는 것이다.

한계:초짝 입자는 쉽게 말해 평생 헤어지지 않는 부부와도 같다. 물리학자들은 이를 ‘일부일처(monogamous)’ 관계라 부른다. 하지만 초짝 관계의 입자 중 하나만 블랙홀에 빠지면 살아남은 입자는 또 다른 입자와 짝을 맺는다. 그런데 일반 상대성 이론에 의하면 사상 수평선을 넘은 입자는 주변상황 변화를 감지하지 못한다.

따라서 원래의 짝과 여전히 짝을 맺고 있다고 여긴다. 바로 여기서 일부일처 패러독스가 생긴다. 살아남은 입자가 예전의 짝과 새로운 짝에 동시 연결될 수는 없는 탓이다.

2. 불의 장벽

가설:2012년 미국 캘리포니아대학 샌타바버라 캠퍼스 연구팀이 일부일처 패러독스를 해결할 가설을 제시했다. 짝이 사상 수평선 너머로 사라졌을 때 살아남은 입자가 초짝 관계를 포기하는 것이다. 이는 양자 역학과도 모순되지 않는다.

다만 이 경우 초짝 관계가 끊어지는 순간 화학적 연결이 끊어질 때처럼 작은 에너지 폭발이 일어난다. 그래서 사상 수평선 바로 뒤쪽에 무수한 에너지 폭발의 집합체인 ‘불의 장벽(firewall)’이 생긴다. 그리고 이 장벽은 사상 수평선 너머로 들어오는 모든 것을 불태워 없앤다.

한계:불의 장벽이 진실이 되려면 물리학계는 기존에 믿고 있던 블랙홀의 속성 중 하나를 포기해야 한다. 사상 수평선 너머로 들어가는 관측자가 아무 변화도 느끼지 못한다는 일명 ‘노 드라마(nodrama)’가 그것이다. 

이 때문에 골치를 썩고 있기는 하지만 대다수 학자들은 불의 장벽 이론이 블랙홀에 얽힌 양자역학적 문제 해결에 유용하다고 본다. 불의 장벽 논문의 공동저자인 폴친스키 박사는 이렇게 표현하기도 했다.

“기존 관점이 옳을지도, 저희가 옳을지도, 둘 다 틀릴 수도 있어요. 그 이유는 모르지만요.”

3. 웜홀

가설:프린스턴대학과 스탠퍼드대학 연구팀은 일부일처 패러독스를 해결할 또 다른 가설을 제시했다. 살아남은 입자의 옛 짝꿍과 새 짝꿍이 사실 동일한 입자일 수 있다는 것이다. 이는 블랙홀로 들어간 입자가 블랙홀 속에서 웜홀을 만나 다른 곳으로 튕겨져 나간다는 가정에 기반한다.

이 경우 두 입자가 다시 연결돼도 살아남았던 입자는 새 짝을 만났다고 여길 수 있다는 설명이다. 물론 웜홀 여행을 한 입자는 자신이 원래와 다른 지점에 있다는 것 외에는 어떤 변화도 감지하지 못한다.

한계:미국 캘리포니아대학 버클리캠퍼스의 물리학자 라파엘 부소 박사는 웜홀 이론이 명쾌한 답처럼 보일 수 있겠지만 그렇지만도 않다고 말한다.

“웜홀 이론은 일부일처 패러독스를 설명할 수 있을지는 몰라도 양자 역학과 다른 측면에서 모순점을 발생시킵니다. 모순을 해결하기 위해 또 다른 모순을 만드는 셈이죠.”

이런 이유로 부소 박사는 웜홀 이론이 다른 이론만큼 유망하다고 보지 않는다. 결국 논쟁은 앞으로도 계속될 것이다.

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