블랙홀 (3) - 호킹 복사와 정보 역설

블랙홀의 사건 지평선은 시공간의 평화로운 구역이라 아무 일도 일어나지 않는다.

블랙홀이 가진 성질은 질량, 회전, 전하뿐이다.

블랙홀로 무언가가 들어간다면 그것은 다시 밖으로 나오지 않는다. 또한 내부에 더 많은 물체가 들어갈수록 블랙홀은 더욱 무거워진다. 따라서 시간이 지나면 지날수록 블랙홀은 커져야 한다.

 

이 두 가지는 블랙홀에 있어서 가장 중요한 두 가지 가정이었다. 그런데 스티븐 호킹이 이 두 가지 가정을 바꿔버린다.

 

 

호킹 복사 Hawking Radiation

블랙홀은 폭발하는가?

호킹은 1974년 네이처에 이런 논문을 실었다. 이 논문을 통해 호킹은 일반상대성이론 일부와 양자역학을 결합한 결론을 밝힌다.

뭔가가 사건 지평선 밖으로 나올 뿐 아니라 종국에는 블랙홀이 점점 작아져 무(無)가 되어버린다는 결론이다.

이는 블랙홀이 앞에서 말한 3가지 외에 한 가지 성질을 더 가지기 때문인데, 바로 온도다.

 

양자역학에는 우주의 모든 입자가 끊임없이 움직이며 완전히 정지한 상태로는 존재하지 않는다는 하이젠베르크의 불확정성 원리가 있다. 이 원리에 의해 물체 온도는 절대 영도(-273°C)에 도달하기가 불가능하다.

 

불확정성 원리는 입자가 생성되는 빈 공간의 배경 양자장에도 똑같이 적용된다. 빈 곳처럼 보여도 그것은 진짜로 정지한 상태가 아니며, 우리가 감지하기엔 너무 빠른 속도로 에너지가 요동치다가 사라진다.

호킹은 이러한 에너지가 사건 지평선에서도 발생한다는 것을 알아냈고, 블랙홀이 이따금씩 에너지를 우주로 방출한다는 결론을 도출했다.

 

이것을 쉬운 말로 다시 요약해 보자면, 블랙홀에는 온도가 있다.

 

이 에너지가 아주 천천히 방출되고는 있지만 어쨌든 블랙홀은 에너지를 잃고 수축하는 과정에 있다. 아마 우리는 볼 수 없겠지만 이대로 수억, 수조년, 수천조 년의 시간이 지나면 초대질량 블랙홀도 작아져 무가 될 것이다.

 

블랙홀에서 방출되는 이 에너지를 사람들은 호킹을 존경하는 마음을 담아 ‘호킹 복사’라 이름 붙였다. 그런데 우리는 에너지가 나온다는 것은 알지만, 무엇이 이 에너지가 나오도록 만드는지는 아직 모른다.

 

호킹은 블랙홀의 에너지 손실은 불가피하다고 했다. 그리고 이는 방정식뿐만이 아닌 실제 실험으로도 증명되었다.

 

이 실험은 빛 대신 소리로 블랙홀을 구현해 진행되었다.

초저온 액체의 진동을 조절하면 음파의 사건 지평선을 형성할 수 있다. 여기에선 음파보다 액체가 흐르는 속도가 빨라서 음파가 액체 밖으로 빠져나오지 못한다.

 

덤홀이라 부르는 이 구역에서 연구팀은 사건 지평선으로부터 이따금씩 음파가 방출되었다고 보고했다.

이 음파가 호킹 복사와 같은 것이다.

 

 

정보 역설 Information Paradox

원인이 있으면 결과가 있고 어떤 결과가 있다면 그것에 대한 원인도 반드시 있다.

이는 물리학의 핵심 원리이다. 아니면 적어도 우리가 사는 우주에서는 그렇다.

그래서 우리는 어떤 사건이 있으면 그전에 일어났던 것들을 토대로 추론하여 미래의 일도 예측한다.

 

당신이 집에서 말한 모든 소리의 메아리는 당신의 집 벽 표면을 구성하는 원자에 보존되어 있다. 만약 당신이 조금이라도 다른 말을 했다면 오늘날의 벽 원자는 미세하게 다른 방식으로 진동할 것이다.

실제로 그런 정보를 전부 추적하는 것은 불가능하지만, 이론상으로는 어떤 대상의 현재를 알면, 역으로 추적하여 과거의 일도 알아낼 수 있다.

 

물리학자들은 이 ‘정보’를 통해 과거와 현재 사이의 연관성을 측정한다.

정보에는 엄격한 수학적 정의가 있다. 시간이 과거에서 현재로, 현재에서 미래로 가도 정보의 양은 그대로 보존된다는 것이다.

입자가 현재 상태에서 이전 상태로 역추적 될 수 없다면 인과관계가 작동하지 않게 되는 것이다. 그런데 블랙홀이 증발한다는 호킹의 생각이 맞는다면, 큰 문제가 하나 생긴다.

 

사건 지평선을 건널 때 입자들은 자기의 정보를 가지고 간다. 이 정보는 블랙홀 안에 저장된다.

그런데 블랙홀이 점차 작아지다가 특이점 위에서 닫혀버린다면 모든 것은 사라져버린다. 입자들이 가지고 건너갔던 모든 정보를 포함해서 말이다.

블랙홀 내부에 존재하는 것은 무엇이든지 다시 빠져나갈 수 없으니 그 안의 정보는 완전히 사라진다.

 

우리는 정보는 사라지지 않는다는 관념을 바탕으로 과거 현재 미래를 이해해왔는데, 블랙홀이 증발해버린다면 그런 관념이 작동하지 못한다.

호킹 복사가 암시하는 것은 결국 정보가 사라지고 현실을 이루던 모든 것이 지워지면서 ‘정보 역설’로 이어질 수도 있다는 사실이었다.

호킹은 이 정보 역설을 해결할 수 있는지를 놓고 물리학자 존 프레스킬과 내기를 걸기도 했다.

 

결론부터 말하자면 이 역설을 해결한 사람이 있다.

일전의 글에서 당신이 블랙홀에 빠진다면 사건 지평선을 넘는 순간 시간이 엄청나게 늘어지면서 바깥에 있는 사람들은 당신의 이미지가 영원히 정지한 것처럼 보인다고 말한 것을 기억해보자.

 

이는 사실상 입자의 정보가 사건 지평선에 각인된다는 의미다. 따라서 이론적으로 호킹 복사는 생성되면서 정보와 상호 영향을 주고받을 수 있다.

블랙홀에서 방출되는 호킹 복사는 각인된 정보에 따라 다르게 거동하므로 정보는 파괴되지 않을 수 있다. 그리고 이 정보가 사건 지평선에서 호킹 복사로 전달되거나 호킹 복사로 인해 우주의 나머지 구역으로 갈 수도 있다.

 

호킹 복사가 왜 일어나는지에 대해는 밝혀지지 않았으므로 이런 현상이 어떻게 가능한지 또한 불분명하긴 하다. 하지만 어쨌든 수학 이론적으로는 사건-지평선 요동을 통해 정보 보존이 가능하다고 물리학자 헤라르뒤스 엇호프트와 레너드 서스킨드는 증명했다.

 

호킹은 프레스킬과의 내기에서 패배를 깔끔하게 인정했다.

정보를 저장할 방법이 생기고, 물리학자가 아닌 사람들은 관심도 없었겠지만 우주는 이 엄청난 역설로부터 구해졌다.