광고
광고
광고
광고

불의 이야기- ⅩⅥ

우린 홀로그램 우주에 살고 있다 ②

광고
리스크랩 김훈 | 기사입력 2023/04/20 [10:00]

불의 이야기- ⅩⅥ

우린 홀로그램 우주에 살고 있다 ②

리스크랩 김훈 | 입력 : 2023/04/20 [10:00]

<지난 호에서 이어지는 내용입니다.>

 

블랙홀

여기에 또 하나의 물자체 세계가 있는데 바로 블랙홀이다. 블랙홀은 상대성이론에 따라 도출된 존재였다. 사실 상대성이론은 아인슈타인이 처음 주장한 이론이 아니다. 1783년 영국의 천문학자였던 존 미첼(John Michell)은 뉴턴의 이론에 입각해 탈출 속도가 빛보다 빠른 천체의 존재를 예견한다.

 

그리고 빛은 질량이 매우 큰 별 근처에서 휠 수 있으며 충분히 큰 질량과 밀도를 갖춘 별은 강한 중력장을 갖기 때문에 빛조차도 그 별을 빠져 나오지 못할 거라고 지적한다. 그 별의 표면에서 방출된 모든 빛은 별을 빠져나오기도 전에 별의 인력에 의해 다시 이끌려 들어간다.

 

그는 이렇게 만들어진 어두운 별이 우리가 속한 우주에 매우 많은 숫자로 존재할지도 모른다고 생각했다. 이렇게 등장한 블랙홀은 그 이후 아인슈타인이 상대성이론으로 중력을 재해석하면서 그 존재가 드러났다.

 

2차대전에서 독일군 중위였던 슈바르츠실트(Schwarzschild)는 소련과 전선의 포화 속에서 한 달 만에 아인슈타인이 완성하지 못한 블랙홀의 중력방정식 해를 구하는 데 성공한다. 이후 2001년에는 NASA의 찬드라 X선 우주망원경과 허블우주망원경에 의해 블랙홀의 존재가 실제로 확인된다. 

 

▲ NASA가 공개한 블랙홀이 별을 삼키는 모습(출처 weekly.donga.com/List/3/all/11/1705559/1)

 

블랙홀은 모든 질량이 특이점 상태로 중심에 집중돼 있고 나머지는 빈 공간이다. 별과 마찬가지로 멀리 있으면 중력이 약하고 가까워질수록 중력이 강해진다.

 

하지만 별과 달리 블랙홀에 가까이 가면 중력에 의해 시공간이 너무 많이 휘어져 빛조차 빠져나올 수 없게 된다. 빛조차 빠져나오지 못해 검게 보이는 구멍이라 ‘블랙홀’이라고 부른다.

 

모든 블랙홀은 사건의 지평선(Event horizon)을 가진다. 사건의 지평선은 선이 아니라 2차원의 면이다. 사건의 지평면의 면적을 보통 블랙홀의 크기로 본다. 블랙홀은 당연히 보이지 않는다.

 

하지만 블랙홀 뒤에 밝은 천체가 있거나 블랙홀 주변에 빛을 내는 물질이 있으면 블랙홀 관측이 가능해진다. 은하 중심부에 있는 블랙홀은 주변 기체를 강한 중력으로 끌어모아 삼킨다.

 

이 과정에서 기체가 압축돼 온도가 올라가고 다양한 빛을 방출하게 된다. 블랙홀 관찰이 가능해 지는 이유다. 

 

​세계를 지배하는 법칙 중 열역학 제2법칙이 있다. 열역학 제2법칙에 의하면 시간이 흐를수록 세계의 무질서도는 더욱 증가한다. 이를 엔트로피 법칙이라고 한다.

 

그러나 블랙홀을 연구하던 미국의 물리학자 존 휠러는 블랙홀 근처에서는 열역학 제2법칙이 적용되지 않는다고 주장했다.

 

블랙홀은 모든 물질을 빨아들인다. 블랙홀은 물질을 빨아들이기만 하고 절대로 내뱉지 않으므로 계(system)의 무질서도가 사라지고 엔트로피는 줄어든다.

 

블랙홀 속으로 빨려 들어간 모든 물질은 사건의 지평선 너머 특이점(Singularity)에 도달해 무한히 작은 크기로 압축된다.

 

따라서 모든 물질이 한 점으로 압축된 특이점의 무질서도는 제로가 된다. 또 사건의 지평선과 특이점까지 텅 빈 시공간에서는 물질과 입자들이 재배열 될 수 없는 엔트로피 제로 상태가 된다.

 

블랙홀 근처에서 열역학 제2법칙이 깨진다는 존 휠러의 주장은 당시 과학계에 엄청난 혼란을 가져왔다. 과학자들은 블랙홀에 대한 이론이 잘못됐지 열역학 제2법칙이 깨질 수 있다는 사실은 인정하지 않았다.

 

따라서 존 휠러의 주장은 엔트로피의 법칙뿐 아니라 아인슈타인의 상대성이론까지 잘못됐다는 의미였다. 이후 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 열역학과 상대성이론 모두를 만족시키는 방법에 관해 연구하기 시작한다.

 

▲ 사건의 지평선(출처 나무위키)


슈바르츠실트가 계산해낸 블랙홀을 슈바르츠실트 블랙홀이라고 한다. 이 블랙홀은 각운동량과 전하가 없고 질량만 갖는 블랙홀이다.

 

이 블랙홀 사건의 지평선 반경은 블랙홀 질량의 제곱에 비례한다. 스티븐 호킹은 블랙홀이 무엇이든 빨아들이기 때문에 블랙홀의 질량은 계속 커지고 사건의 지평선 면적도 언제나 커지고 작아지지 않는다고 생각했다. 

 

존 휠러의 제자였던 야코프 베켄슈타인은 자신 스승의 주장을 정면으로 반박하며 블랙홀 근처에서 열역학 제2법칙이 깨지지 않는다고 주장한다. 자연계에서 언제나 한 쪽 방향으로만 흘러가는 물리법칙은 시간이나 엔트로피 그리고 사건의 지평선 면적을 제외하고는 존재하지 않는다.

 

따라서 블랙홀이 오직 모든 물질을 빨아들이기만 한다면 반드시 어느 다른 차원, 다른 공간에서는 이런 물질을 내뱉는 화이트홀(white hole)이 있을 거라고 생각했다.

 

하지만 이런 생각은 블랙홀이 물질을 방출하기도 한다는 호킹 복사가 발표되면서 사라졌다. 여기서 중요한 건 우주와 블랙홀의 경계면인 사건의 지평선이다.

 

▲ 블랙홀의 구조(출처 www.donga.com/news/article/all/20010131/7642099/1)

 

사건의 지평선이 언제나 커진다는 건 엔트로피 증가의 법칙과 매우 유사하다. 베켄슈타인은 블랙홀이 엔트로피를 줄어들게 하는 게 아니라 엔트로피를 저장하는 거라고 주장했다. 그래서 블랙홀 사건의 지평선 면적은 엔트로피에 비례해 계속 확장된다.

 

스티븐 호킹을 비롯해 대다수 과학자는 베켄슈타인의 주장에 반박했다. 엔트로피가 있는 물질은 반드시 온도가 있고 온도가 있으면 복사 에너지를 방출해야 한다.

 

따라서 블랙홀에 엔트로피가 있다면 블랙홀은 복사 에너지를 방출해야 하지만 블랙홀은 모든 물질을 빨아들이기만 할 뿐 어떤 것도 방출하지 않는다.

 

또 블랙홀의 털 없음 정리(no-hair theorem)에 따르면 블랙홀의 특성은 질량과 전하, 각운동량에 의해서만 결정된다. 이 세 가지 정보 말고는 그 어떠한 정보도 블랙홀로부터 알아낼 수 없다.

 

물론 여기엔 엔트로피에 대한 정보도 포함된다. 따라서 블랙홀이 엔트로피를 가졌다는 베켄슈타인의 생각은 당시에 말도 안 되는 헛소리 취급을 받게 된다. 그런데 스티븐 호킹의 호킹 복사가 발표된 직후 모든 상황이 바뀌게 된다.

 

​하이젠베르크의 불확정성 원리에 의하면 진공은 아무것도 없는 텅 빈 상태가 아니다. 진공 속에서 전자와 양전자는 쌍생성과 소멸을 반복한다.

 

진공은 이와 같은 과정이 끊임없이 반복되면서 에너지가 계속 요동치고 있는 에너지가 가득한 공간이다. 이를 양자요동(Quantum Fluctuation), 양자떨림(Quantum jitter)이라고 한다.

 

스티븐 호킹은 호킹 복사를 통해 블랙홀 근처에서는 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 양자떨림 현상이 일어난다고 주장했다. 사건의 지평선 근처에서 입자들이 쌍생성됐을 때 입자 하나가 사건의 지평선을 넘어 블랙홀로 빨려 들어가고 나머지 하나는 빨려 들어가지 않는다면 어떻게 될까.

 

음의 전자를 가진 입자가 블랙홀로 빨려 들어간다면 양의 에너지를 가진 입자는 블랙홀 밖으로 빠져나간다. 쌍생성된 입자는 둘이 다시 만나야만 쌍소멸 할 수 있는데 음의 에너지를 가진 입자가 블랙홀로 빨려 들어갔기 때문에 양의 에너지를 가진 나머지 입자는 우주를 하염없이 떠돌게 될 거다. 

 

​에너지 보존의 법칙에 따라 빨려 들어간 음입자의 에너지만큼 블랙홀의 질량은 감소해야만 한다. 따라서 블랙홀의 질량은 복사 에너지 형태로 블랙홀 외부로 분출된다. 이게 바로 호킹 복사(Hawking radiation)다. 호킹 복사에 따라서 블랙홀은 마치 블랙홀 외부로 빛을 방출하고 있는 것처럼 보인다.

 

이 이론이 발표된 이후 과학자들은 블랙홀에 대한 기존 생각을 완전히 바꾸게 됐다. 즉 블랙홀이 영원히 존재하며 블랙홀 속에서 그 무엇도 빠져나오지 못한다는 생각에서 블랙홀은 소멸하기도 하며 빛을 방출한다는 생각으로 바뀐 거다. 

 

​이후 블랙홀이 엔트로피를 갖는다는 베켄슈타인의 주장은 호킹 복사 덕분에 부활한다. 블랙홀이 온도를 가지며 복사 에너지를 방출한다는 말은 블랙홀이 엔트로피를 갖는다는 뜻이기 때문이다.

 

이후 스티븐 호킹은 “사건의 지평선 면적과 엔트로피 면적은 비례할 것이다”고 한 베켄슈타인의 주장이 맞는지를 확인하기 위해 블랙홀의 온도와 복사량 데이터를 토대로 블랙홀의 엔트로피와 사건의 지평선 면적을 비교했다. 

 

이로써 사건의 지평선 면적이 블랙홀의 엔트로피 양과 비례함이 밝혀진다. 블랙홀 근처에서 엔트로피 법칙이 깨지지 않는다는 사실도 밝혀진다. 

 

​그런데 호킹 복사로 인해 한 가지 풀리지 않는 난제가 생긴다. 바로 정보의 역설이다. 정보란 어떤 입자로부터 관측할 수 있는 모든 것에 대한 기록이다. 양자역학에 따르면 입자가 가진 정보는 삭제되지 않을 경우 변경할 수 없고 결코 사라지지도 않는다. 

 

우리가 입자들의 모든 정보를 해석하고 읽어낼 수만 있다면 모든 물질의 과거까지도 알아낼 수 있다.

 

즉 우주의 시작부터 현재까지에 대한 모든 정보를 얻을 수 있다는 걸 의미한다. 이를 정보 보존의 법칙이라고 한다. 

 

​그러나 호킹 복사 이론에 따르면 블랙홀로 들어간 정보들은 손실돼 사라진다. 정보 보존의 법칙에 의하면 정보는 절대로 새로 탄생하거나 사라지지 않는다고 했는데 호킹은 왜 이런 생각을 했을까.

 

호킹은 “쌍생성돼 블랙홀 속으로 빨려 들어간 입자는 블랙홀의 정보를 담았다고 할 수 없다”고 말한다. 블랙홀의 복사는 에너지만 가졌을뿐 정보는 담고 있지 않아 블랙홀 내부의 정보는 그만큼 사라지게 된다.

 

이게 블랙홀의 정보 역설이다. 정보 보존의 법칙이 깨진다면 우주를 지배하는 물리법칙이 깨진다는 걸 의미하므로 물리학자들에게는 매우 큰 문제였다.

 

그래서 과학자들은 정보 보존의 법칙에 위배되는 이 역설을 해결하기 위해 많은 연구를 해왔지만 아무도 풀어내지 못하고 있다. 이 정보 역설을 풀기 위해 나온 이론이 바로 홀로그램 우주론이다.

 

홀로그램 우주론

▲ 홀로그램 우주론(출처 나무위키)


이제까지의 과정을 정리해 보자. 엔트로피는 어떠한 계의 무질서도를 의미한다. 블랙홀은 주변의 물질을 흡수하고 원자보다 작은 특이점으로 응축시키기 때문에 블랙홀 근처에서는 엔트로피가 줄어드는 것처럼 보인다.

 

이를 두고 열역학 제2법칙이 틀리는가, 블랙홀 이론이 틀리는가에 대한 논쟁이 일었다. 이후 이 두 가지 이론을 만족시키는 호킹 복사 이론이 나오면서 블랙홀도 엔트로피를 가진다는 게 밝혀졌다.

 

그리고 호킹의 계산에 따라 사건의 지평선 면적이 엔트로피의 양과 비례함이 밝혀지면서 블랙홀 근처에서는 엔트로피의 법칙이 적용되지 않는다는 존 휠러의 주장은 틀렸고 엔트로피는 줄어드는 게 아니라 블랙홀 내부로 저장된다고 생각했다.

 

그 후 호킹 복사 이론에 의해 정보 역설 문제가 생겼고 이 난제를 풀기 위한 이론이 생겼으니 바로 홀로그램 우주론이다. 

 

​이 이론은 우주와 우리가 보는 세계가 홀로그램의 ‘간섭무늬’처럼 실제 세상의 일부분일 뿐이며 실체는 더 깊고 본질적 차원에 존재한다는 가설이다. 우린 정보라는 의미를 일반적으로 보거나 들을 수 있는 내용이라고 생각한다. 그런데 물리학자들이 말하는 정보는 우리가 생각하는 정보와는 조금 다르다

 

. 그들에게 정보란 모든 입자의 양자적 특성을 뜻하는 양자 정보를 말한다. 책의 정보라고 하면 내용이 아니라 책을 구성하고 입자들이 어디에 어떤 물질로, 어떤 구조로 됐는지에 대한 정보를 의미한다. 우주에 존재하는 모든 물질은 이런 양자 정보를 갖는 입자들로부터 만들어진다.

 

연필심을 구성하는 탄소 원자는 그 배열상태에 따라 흑연이 되기도, 다이아몬드가 되기도 한다. 즉 같은 입자도 그 배열과 구성방법에 따라 전혀 다른 게 된다. 이 키를 쥐고 있는 게 바로 정보다. 

 

​엔트로피의 값은 정보의 양과 같다. 즉 엔트로피가 곧 정보임을 의미한다. 호킹은 이 사실을 바탕으로 사건의 지평선 표면적을 아주 작은 사각형의 집합들로 분할했다. 그리고 각 사각형에는 1bit의 정보를 지니고 각 정보는 블랙홀 사건의 지평선 표면적에 저장된다고 생각했다.

 

그런데 몇몇 더 급진적인 과학자들은 여기에서 한 발자국 더 나아가 우주가 바로 홀로그램이라는 주장을 내세웠다. 이런 급진적인 과학자들의 대표주자가 레너드 서스킨드와 헤라르뒤스 토프트였다.

 

▲ 레너드 서스킨드(출처 사이언스북스 on twitter)

 

이들은 우리 우주의 끝 어딘가에는 그 표면적만큼 정보가 저장돼 있으며 우주의 모든 물질은 그 정보에 따라 움직인다고 말한다. 물론 우주에서 벌어지는 모든 사건도 그 정보에 따라서 발생한다. 홀로그램 우주론에 의하면 블랙홀은 3차원에 있는 정보를 2차원으로 암호화해 기록하는 존재다. 

 

​홀로그램 우주(Holographic space)를 가장 처음 주장한 학자는 철학자인지, 과학자인지 구분 가지 않는 미국 태생의 영국인 물리학자 데이비드 봄이었다.

 

우주와 경험적 현상 세계는 전체의 일부분일 뿐이며 우리가 보는 부분의 모습은 홀로그램의 간섭무늬처럼 질서가 결여된 모습이고 실제 의미를 지닌 전체는 더 깊고 본질적인 차원의 현실에 존재한다는 이론이 홀로그램 우주다.

 

레너드 서스킨드는 “우주 모든 물질의 기본적인 요소는 끈이다”는 초끈이론을 주장하면서 홀로그램 우주론을 지지했다.

 

​홀로그램이란 평면상에 입체로 기록하는 기술이다. 홀로그램을 만들기 위해선 반드시 원본 정보가 있어야 한다. 이 기술은 데니스 가보로가 1948년 발명한 것으로 빛의 간섭 현상을 이용해 2차원 평면에 입체정보를 표현할 수 있다.

 

물질이 블랙홀을 통과하면 블랙홀의 표면은 홀로그램의 원본이 되고 통과한 물질은 홀로그램 자체가 돼 버린다. 여기서 특이한 건 양자적 홀로그램은 원본과 가상을 구별하지 않고 모두 진짜가 된다.

 

​홀로그램 우주론에 의하면 블랙홀 속에서도 정보는 결코 파괴되지 않는다. 만약 3차원 정보가 사건의 지평선에 2차원 형태로 저장된다면 호킹 복사를 통해 암호화된 정보를 옮기는 게 가능하다.

 

호킹 복사를 통해 엔트로피의 법칙과 블랙홀 이론이 양립할 수 있었던 것처럼 홀로그램 우주론에 의하면 블랙홀에서 정보의 역설은 발생하지 않는다. 

 

즉 양자역학에서의 정보 보존 법칙이 블랙홀에서도 유효하다는 뜻이다. 서스킨드는 “불투과성 벽을 가진 상자 안에 모든 건 그 벽 위 픽셀에 저장된 정보 조각들로 기술할 수 있다”고 말한다. 우주의 모든 건 우주의 경계면에 흩어진 정보 조각들의 홀로그램이다.

 

만약 우주가 홀로그램이라면 블랙홀로 빨려 들어간 사람도 평소와 다름없는 세계를 경험하게 된다. 밖에서 본다면 2차원의 평평한 모습이겠지만 같은 차원인 내부에서는 결코 2차원의 세계가 아니다. 어쩌면 우린 이미 블랙홀 안에 들어와 있는지도 모른다. 어찌 보면 블랙홀은 또 다른 하나의 우주인 셈이다. 

 

​만약 이들의 주장이 사실이라면 데카르트와 같이 우린 스스로의 존재와 실체에 대해 다시 한번 의심해 봐야 한다. 나의 지금 존재를 비롯해 내가 지금 생각하고 느끼는 모든 것들도 사실이 아닐 수 있다. 현실 세계에 있는 나는 그저 영화 13층과 같이 프로그래머가 만들어 놓은 가상현실 세계의 캐릭터인지도 모른다.

 

우리가 홀로그램 우주를 받아들인다면 우리의 인식은 홀로그래피 평행우주까지 확장된다. 이렇게 되면 과학은 결코 과학만의 문제가 아니라 철학의 영역으로 들어온다. 사실 우주론은 과학에서 출발했지만 그 목표는 철학이나 종교와 크게 다르지 않다.

 

우리가 보고 있는 3차원 세계의 물체들이 2차원 평면에 기록된 정보들로 이뤄진 입체영상에 불과하다는 홀로그램 우주론은 지금도 많은 물리학자 사이에서 논쟁거리다.

 

홀로그램 우주론의 맹점은 논리적, 수학적 증거는 충분하지만 실험적으로 확인할 수 없다는 데 있다. 사건의 지평선 표면적에 저장된 정보의 종류와 양이 어떤 건지 현재 인류의 인식수준으로는 결코 알 수 없다는 것도 문제다.

 

​다시 2000년 전 플라톤의 이데아론으로 돌아가 보자. 현재 인류가 생활해온 지구와 관측했던 우주는 사실 플라톤의 이데아론에 나오는 홀로그램 세계였을지도 모른다. 칸트의 눈앞에 나타나 보이는 현상과 그 현상 너머에 있는 물자체도 같은 이론인 셈이다.

 

인간은 결코 진짜 물자체의 세계를 알 수 없다. 아인슈타인은 양자역학의 불확정성 원리를 부정하며 “신은 주사위를 굴리지 않는다”고 말했다.

 

하지만 블랙홀을 연구하던 호킹은 “신은 아마 주사위를 우리가 볼 수 없는 곳에 던져 놨을 거다”고 했다. 우리가 사는 지금의 이 세계는 과연 어떠한 곳일까. 과연 칸트의 말대로 우린 홀로그램의 현상만을 보고 있는 건 아닐까?

 

 


 김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

* 서울과학기술대 공학박사(안전공학)

* 리스크랩(김훈위험관리연구소) 연구소장

* 현대해상 위험관리연구소 수석연구원

* 한국소방정책학회 감사

* 한국화재감식학회 정보이사

* 소방청 화재감식 자문위원

* 한국지역정보개발원(KLID)평가위원

*, 한국산업기술진흥원(KIAT) 평가위원

* 국립재난안전연구원(NDMRI) 평가위원

* 한국산업기술평가관리원(KEIT) 평가위원

* 한국에너지기술평가원(KETEP)평가위원

* Crane & construction Equipment 칼럼리스트

* 소방방재신문 119 Plus Magazine 칼럼리스트

* 세이프티퍼스트닷뉴스 칼럼리스트

* 기술사(국제기술사, 기계안전기술사, 인간공학기술사)

* 미(美)공인 위험관리전문가(ARM), 미(美)공인 화재폭발조사관(CFEI)

* 안전보건전문가(OHSAS, ISO45001),* 재난관리전문가(ISO22301,기업재난관리사)


 

리스크랩_ 김훈 : firerisk@naver.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2023년 4월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

불의 이야기 관련기사목록
[인터뷰]
[인터뷰] 옥동석 소방산업공제조합 이사장 “소방산업 대표 보증기관으로 위상 공고히 하겠다”
1/7
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고