호킹복사와 블랙홀의 증발

지난 달 21세기를 대표하는 이론 물리학자 스티븐 호킹 박사가 세상을 떠났다. 그는 블랙홀이 만들어지면 에너지를 방출해 내기 시작하는 질량을 상실하기 시작한다는 이른바 "호킹 복사(Hawking radiation)" 이라는 증발 이론을 발표해 큰 업적을 남기며 공로를 인정 받았다. 그렇다면 스티븐 호킹이 어떻게 호킹 복사를 찾아내게 되었는지 배경과 과정 그리고 블랙홀에서 빅뱅 이론을 설명하는 열쇠를 찾게 되었는지 한번 알아보자. 

스티븐 호킹, 빅뱅 이론에 회의를 갖다

그는 무에서 유를 창조할 수 있다는 빅뱅 이론에 대해서 회의적인 시각을 가지고 진실을 밝히고자 연구를 거듭하였다. 그러던 중에 만약 물질이 유에서 무로 사라질수 있다면 빅뱅이론에서 얘기하는 것처럼 무에서 태어나는 것도 가능할 수 있을것이라는 생각에 착안해 블랙홀의 특이점에 주목하기 시작한다. 이 특이점이라 함은, 블랙홀의 중심에서 점으로 이루어진 중력을 말하는데 이 특이점 안으로 물질이 빨려들어가면 지금까지 알려진 모든 물리법칙의 어긋나는 모순이 생기게 된다. 특이점은 시공간이 사라지게 되는 지점이며 곧 모든 것을 집어 삼키는 배출구인 셈인데, 그는 반대로 만물을 빨아들이는 대신 블랙홀이 폭발과 함께 시공간과, 물질을 방출할 수 있다는 걸 증명해내 무에서 우주가 탄생했다는 빅뱅이론이 가능하다는걸 입증한다. 

블랙홀이 방출하는 열 복사선 - "호킹 복사 이론"

스티븐 호킹은 빅뱅과 마찬가지로 블랙홀 안에서도 현대 물리학의 양대 기둥인 상대성 이론과 양자역학이 서로 상충 된다고 믿었고, 이 두 이론을 통합할 수 있다면 빅뱅을 이해하는데 도움이 될 것이라 생각했다. 사실 상대성 이론에서는 블록홀의 경계에선 모든 물질이 빨려들어가 어떤 것도 존재 할 수 없다고 얘기하지만, 양자역학에서는 빈 공간은 존재하지 않고 미세입자만 남는다고 주장한다. 즉, 공간을 바라볼 때는 비어 있는 것처럼 보이지만 미시 세계에서는 그렇지 않다는 것이다. 양자역학 이론에 따르면 진공 상태에서는 양성자와 반양성자가 계속해서 탄생과 소멸을 반복하며 요동을 치게 된다고 한다. 호킹 박사는 이 양자 요동이 블랙홀의 사건의 지평선에서 발생할 경우 어떻게 될지 궁금해 했다. 본래는 서로 생성됨과 동시에 결합하고 소멸해야 하는데, 블랙홀이 반양성자를 끌어들이고, 양성자는 갈곳이 잃어 방황하다가 블랙홀 바깥으로 탈출하게 되는것을 발견하게 된다. 이 현상은 빛으로 표현되고 블랙홀 외부에서 보면 양성자를 방출하는 데, 이 양성자를 호킹 박사의 이름을 따서 "호킹 복사" 라고 불리게 된 것이다. 

블랙홀의 정보 패러독스

호킹 복사는 양자적 요동에 의해 발생하는 음의 질량을 가진 입자를 흡수하면서 발생하게 되는데, 블랙홀은 호킹복사를 방출하며 그 질량도 서서히 감소하게 된다. 이런식으로 계속 진행이 된다면 언젠간 블랙홀이 증발하는지 않을까? 호킹의 주장에 따르면 양성자를 방출하면서 블랙홀은 서서히 질량을 잃어가게 된다. 그렇다면, "블랙홀이 질량을 잃어가다 결국 증발하게 되면 흡수한 물질의 정보는 어떻게 되는 것인가?" 라는 블랙홀 패러독스에 빠지게 된다. 모든 정보가 사라지게 되는 것인지, 아님 복원되는 것인지에 대해 학자들 사이에서 의견이 분분하였지만, 호킹 박사는 블랙홀은 모든 정보를 붕괴 시키기 때문에 빨려들어간 정보는 절대 복원 될 수 없다고 주장을 하였다. 하지만 이후 끈이론이 세상에 나오면서 양자역학과 상대성 이론의 어마어마한 모순을 해결해 주었고, 호킹 박사는 2004년에 열린 '상대성과 중력에 관한 국제회의' 에서 블랙홀이 일방통행이 아니라 빠져들어간 정보가 방출 될 수도 있다고 생각한다며 자신의 이론을 뒤집어 버린다. 또한 2015년에는 블랙홀에 물질이 빨려들어갈 때 물질의 정보는 블랙홀의 경계선인 '사건의 지평선'에 저장되며 호킹 복사가 이뤄지는 과정에서 입자와 함께 방출 된다고 주장하며 일부 오류에 대해 인정하고 수정하였다. 비록 오류에 대한 논쟁이 있었지만, 그 근본적인 원리와 발상 자체에 대해서는 업계에 큰 충격과 이를 근간으로 한 연구가 활발히 진행중에 있다. 이제 우주 이론 물리학자의 슈퍼스타 스티븐 호킹은 세상에 없지만 그가 진실로 밝히고자 했던 우주의 미스테리에 대해 또 어떤 연구 결과가 나오고 우리가 몰랐던 진실이 나올지 기대를 해본다.