블랙홀의 특이점으로 빅뱅을 증명한 천재 과학자 스티븐 호킹 / 리뷰영이

블랙홀의 특이점으로 빅뱅을 증명한 천재 과학자 스티븐 호킹 / 리뷰영이

 

영화 인터스텔라에서는 아주 신비한 블랙홀 ‘가르강튀아’가 나오죠. 이 가르강튀아를 비롯한 모든 블랙홀들의 중심에는 특이점이 있다는 사실을 이제는 모르시는 분들이 거의 없을 거예요. 이 특이점의 존재를 수학적으로 증명한 사람은 바로 1965년 스티븐 호킹의 스승 로저 펜로즈입니다. 그리고 스티븐 호킹은 스승님의 특이점 논문을 보고는 이런 생각을 하게 되죠. 빅뱅 이론에 따르면 우주는 어느 순간 ‘빵’하고 터지면서 우리 우주의 모든 것이 생겨났다고 했잖아. 그 우주의 작은 점이 바로 블랙홀의 특이점이랑 똑같은 거 아니야.

 

‘빅뱅의 특이점이 바로 블랙홀의 특이점과 같다.’

 

만약 스티븐 호킹이 이 아이디어를 증명할 수만 있다면 이것은 분명히 천체 물리학계에는 바로 혁명과도 같은 일이예요. 왜냐? 1965년 당시 과학계에서는 빅뱅 이론이 제시되기는 했지만 힘을 얻지 못하고 있었어요. 물리학자들의 상식으로는 납득이 안 가는 거죠. 어떻게 우주의 모든 물질들이 원자보다도 작은 점에 모두 모여 있을 수 있겠소? 그게 물리학적으로 말이나 됩니까?

 

빅뱅에서 특이점이라는 게 존재할 수 있는가?

 

그런데 당시 대학원생이었던 스티븐 호킹은 이렇게 생각한 거예요. 우리 선생님의 논문에 따르면 블랙홀에는 특이점이 있습니다. 그런데 빅뱅이론을 믿지 않는 사람들은 특이점이 존재 하지 못할 거라고 생각한다면서요. 특이점을 펜로즈 선생님께서 수학적으로 증명했는데 해도 빅뱅의 특이점이라고는 도대체 왜 없을 거라고 생각하는 거 보니까. 빅백의 특이점이 도대체 왜 없을 거라 생각하는 겁니까?

 

만약에 스티븐 호킹이 빅뱅의 특이점이 블랙홀의 특이점과 같다, 이것만 증명할 수 있다면 빅뱅이론은 훨씬 더 힘을 얻게 되고 블랙홀의 존재와 특이점의 존재 역시도 힘을 많이 없게 되겠죠. 스티븐 호킹은 이 사실을 증명하기 위해서 스승 펜로즈의 특이점 정리를 바탕으로 박사과정 논문을 준비합니다. 모든 내용들을 지금부터 아주 재밌게 설명해 드릴 건데요. 이걸 알려면 우리는 먼저 상대성이론 그리고 빅뱅이론을 알아야 돼요. 먼저 빅뱅 이론입니다. 태초의 우주에는 아무것도 없었다. 시간도 공간도 물질도 없었다. 그러던 어느 순간 한 점에서 대폭발이 일어나더니 우주가 급속도로 팽창하면서 시간과 공간, 물질이 생겨났고 우리 우주의 모든 것을 창조해냈죠. 이게 바로 빅뱅 이론이예요. 그런데 빅뱅이론에 대한 학자들의 이야기는 상당히 회의적이었어요. ‘무에서 유를 창조한다는 게 말이나 되냐‘라는 거죠. 다음으로 알아야 하는 이론은 아인슈타인의 상대성 이론이예요. 질량을 가진 물질이 있다면 그 질량만큼 시공간이 휘어지게 되고 시공간이 휘어진 시공간을 따라서 중력이 발생한다. 이게 바로 상대성 이론이예요. 우리 지구를 예로 들어 보면 지구 질량을 따라서 지구 근처에 시공간이 왜곡되고 그 왜곡된 시공간을 따라서 달이 공전하고 인공위성이 공전한다는 거야. 우리 지구보다 훨씬 더 무거운 태양이 우리 지구를 공전시키고 있는데요. 자 이것도 역시 태양이 만든 시공간의 왜곡을 우리 지구가 이 왜곡을 따라 돌고 있는 거죠. 바로 이 상대성이론에 따라서 블랙홀의 존재가 제시된 거요. 1916년 독일의 천체 물리학자 슈바르츠실트는 제1차 세계 대전 중에 전쟁터에서 천포창이라는 병을 앓으면서도 상대성이론을 연구 했는데요. 이분이 아인슈타인의 장방정식을 풀어봤더니 몇 가지 이상한 현상이 생기더라. 질량이 크면 클수록 시공간이 휘어지게 되는데 만약에 질량이 무지막지하게 큰 물질이 있다면 시공간도 무지막지하게 휘어지고 사건의 지평선이 생기게 되더라. 이 사건의 지평선을 넘어 가는 그 어떤 물질도 다시는 빠져나오지 못하고 심지어는 빛조차도 빠져 나오지 못한다. 즉 상대성이론에 따라서 블랙홀이 존재할 것이다‘라고 슈바르츠실트가 제시를 한 거예요. 또 블랙홀의 중심에는 특이점이 존재할 것이다. 이 블랙홀을 외부에서 보면 마치 우주에 검은 구멍이 뚫린 것처럼 보일 것이다’라고 이야기를 했죠. 알버트 아인슈타인은 자신의 장방정식을 풀이한 슈바르츠실트에게 ‘정말 대단한 업적이다’라고 추켜세워 놓고는 이렇게 반론했습니다. 블랙홀의 존재는 지구가 구슬만 해지고 태양의 지름이 3km까지 쭈그러 든다면 가능하오. 하지만 우리 우주에서 그런 일은 일어날 수 없어. 즉 블랙홀의 존재는 수학 쪽으로만 가능하고 현실 우주에서는 말이 안 된다고 한 겁니다. 물리학자들은 블랙홀의 존재가 우리 우주의 실제로 존재할 수 있을까라는 논의를 진짜 몇 십년동안 해요. 정말 많은 논쟁이 있었는데 그 중에 유명한 거 두 개만 한번 가져와 볼게요. 제가 먼저 핵무기를 연구한 것으로 유명한 오펜하이머입니다. 블랙홀은 별의 중력 수축으로 그 별의 중심에서는 질량 밀도가 무한해지고 특이점도 만들어질 것이요. 별의 핵융합이 끝나고 별이 붕괴하는 경우는 자연계에서 충분히 일어날 수 있습니다. 즉 블랙홀은 수학적으로만 존재하는 것이 아니라 자연계에 충분히 존재할 수 있다는 겁니다. 반면에 입자물리학의 대가 존 휠러는 이렇게 반박했습니다. 오펜하이머의 연구는 완벽하게 둥근 천체가 수축하는 경우에만 도출되는 결론입니다. 그런 이상적인 상황을 두고 블랙홀이 존재한다는 건 비약이 심한 거 같군요. 실제로 우주에 존재하는 천체들은 절대로 이상적이지 않습니다. 천체들은 회전도 하고 충돌도 하고 폭발하기도 합니다. 이런 이상적인 천체는 우주에 존재하지 않으므로 자연계에 블랙홀이 존재할리는 만무합니다. 아인슈타인의 의견은 어땠을까요. 나는 분명히 블랙홀의 존재는 수학적으로나 가능하다고 했지, 자꾸만 내 상대성이론으로 블랙홀의 존재를 증명하려고 하지 마시오. 블랙홀이 존재하냐, 이 특이점이 우리 자연계에 실제로 있느냐? 물리학계의 논박을 아주 흥미롭게 지켜보고 있던 사람이 있었으니 그의 이름은 바로 로저 펜로즈 옥스포드대 교수이자 스티븐 호킹의 스승인 펜로즈는 수학의 천재로서 특히 위상수학에 아주 능했다. 펜로즈는 이 위상수학으로 블랙홀의 특이점을 연구했고, 1965년 1월 펜로즈는 ‘중력 수축과 시공간의 특이점’이라는 연구 결과를 발표합니다. 상대성이론으로 질량이 너무 죄거대한 천체가 있다면 자체 중력으로 붕괴하는 그 경계가 결국 0으로 줄어드는 구역 안에 갇히게 됩니다. 이것은 별 속에 있는 모든 물질이 부피가 0인 영역으로 압축된다는 뜻입니다. 나는 이것을 특이점이라고 부르겠소. 이 특이점에서는 물리학 법칙이 완전히 깨져버려요. 특이점의 부피는 0, 밀도와 시공간의 곡률은 무한대가 나와버리죠. 로저 펜로즈가 수학적으로 증명한 이 특이점 덕분에 블랙홀과 특이점에 대한 학계 논쟁은 50년 만에 종료됐습니다. 펜로즈의 d연구는 ‘블랙홀과 특이점이 일반상대성이론의 직접적인 결과다.’라는 걸 보여 주기 때문에 아인슈타인의 일반상대성이론을 보완할 수 있는 아주 중요한 이론으로 평가 받고 있어요. 또 로저 펜로즈는 2020년에 노벨물리학상을 받았는데요. 그가 1965년에 특이점에 대한 수학적인 증명 덕분이죠. 그런데 정말 재미있는 사실은 이거예요. 아인슈타인은 상대성 이론을 발표했고, 이 상대성이론에 따라서 여러 후대에 과학자들이 ‘블랙홀이 존재할 것이다.’ ‘특이점이 존재할 것이다.‘라는 여러 가지 연구 결과가 나왔는데 아인슈타인은 자신의 ’상대성이론에 따라서 블랙홀이 존재한다.‘라는 사실을 끝까지 믿지 않았던 거예요 그런데 아이러니하게도 그의 이론이 블랙홀과 특이점이 존재한다‘라는 걸 증명해 버렸죠. 자 이제 바로 스티븐 호킹이 등장합니다. 스티븐 호킹은 1965년 박사 논문 주제를 찾던 대학원생이었는데요. ’별의 자체 중력이 커지면서 별은 수축하죠. 별의 질량이 크면 이 과정에서 블랙홀이 탄생합니다. 블랙홀에선 시공간이 뒤틀리고 아무것도 통과하지 못하죠. 빛조차도요. 별이 작아지고 또 작아지면 별의 밀도는 점점 높아지고 공간이 점점 좁아지면서 원자와 아원자 입자는 서로 짓눌리죠. 이것이 ‘시공간의 특이점’입니다.‘ 이 스티븐 호킹이 ’펜로즈의 특이점 정리‘ 논문을 봤을 때 갑자기 번뜩이는 아이디어가 떠오른 거예요. 어쩌면 펜로즈의 특이점 정리로 빅뱅을 증명할 수도 있겠다 싶은 거죠. 처음 들었을 때는 조금 이상하죠. 블랙홀의 특이점 정리로 무슨 빅뱅을 증명해? 먼저 스티븐 호킹의 아이디어를 한 번 자세히 들여다보죠.

 

빅뱅 이론에 따르면 우주의 모든 물질들이 원자보다도 작은 한 점에 응축돼 있다가 어느 순간 갑자기 ‘빵’ 하고 터지면서 우리 우주의 모든 물질들이 탄생하게 되었다고 해요. 이때 동시에 시간도 생겨났고 공간도 생겨났죠. 그리고 ‘빅뱅 이후 우리 우주는 끊임없이 팽창하고 있다’라고 알려져 있죠. 그런데 그 당시 과학자들이 빅뱅이론을 믿지 않았던 가장 큰 이유 중에 하나가 바로 이거예요. 도대체 어떻게 우주 모든 물질들이 원자보다 작은 한 점에 뭉쳐 있을 수 있어요? 스티븐 호킹은 이렇게 생각했습니다.

 

“만약 아인슈타인의 일반상대성 이론이 맞다면 우주는 팽창하고 있는 거지? 시간을 되돌리면 우주는 작아질 거야. 우주는 점점 더 작아지고 수축하고 뜨거워지다가.....우주는 블랙홀이 폭발하면서 탄생했어요.“

 

스티븐 호킹은 펜로즈의 공식에서 ‘시간의 방향을 바꾸면 붕괴가 팽창이 된다’라는 걸 깨달았습니다. 우주의 시간을 거꾸로 돌리면 우주팽창이 곧 블랙홀의 중력 수축과 같아진다. 우주의 시간을 시계태엽 감듯이 거꾸로 돌리면 빅뱅의 특이점이 있다는 거요. 이 빅뱅의 특이점은 블랙홀의 특이점하고 특징이 완전히 같아요. 원자보다 작은 점에 모든 물질들이 모여있구요. 질량은 무한대 부피는 0, 시간도 공간도 없는 특이점이죠. 스티븐 호킹은 ‘열린 우주에서의 특이점 출현’이라는 제목의 논문을 1965년 8월 펜로즈의 특이점 정리 논문이 나온 바로 그 해 투고합니다. 그리고 스티븐 호킹의 이 논문은 빅뱅을 입증하기 위한 아주 강력한 증거가 됐어요. 이 모든 것은 수학적으로 정리가 되어 있었기 때문에 그 어떤 과학자들도 반론을 제시하지 못했다고 하자. 그리고 이 논문으로 스티븐 호킹은 박사학위를 받게 됩니다.

 

‘태초 블랙홀 이론’ 말이야, 시공간 특이점, 그래, 훌륭해, 수고하셨습니다, 박사님‘

 

하지만 이 논문에도 한계점은 있어요. 빅뱅 이전에 특이점이 있었다면 그 특이점을 폭발하게 만드는 원인은 뭘까 아쉽지만 호킹 박사도 모르고 당연히 저도 몰라요. 그래도 적어도 이런 가능성은 열려 있어요. ‘어쩌면 블랙홀의 특이점이 빅뱅을 일으키는 것이다‘라는 가능성이요. 블랙홀의 아주 강력한 중력이, 결국엔 시공간을 찢어 버리고 그 시공간이 찢어지는 순간에 블랙홀 속으로 빨려 들어갔던 물질들이 한꺼번에 터져 나오면서 빅뱅을 일으킨다는 거죠. 이 현상은 우리 우주 어딘가에서 벌어질 수도 있고 다른 차원의 우주 어디에선가 벌어질 수도 있을 겁니다. 즉 다중우주론이죠. 이 다중우주론이 궁금하신 분들은 지금 우측 상단에 있는 카드나 댓글의 링크를 눌러서 시청하시기 바랍니다. 그리고 스티븐 호킹이 특이점 연구 이후에 호킹 복사를 연구하러 갔는데요. 지금 호킹 복사를 잘 정리해 놓은 영상이 있어요. 이 영상 들려서 보시면은 진짜 재밌을 거예요. 이상 블랙홀의 특이점에 대해서 알아봤습니다.