0. 목차
- 호킹 복사(Hawking Radiation)
- '블랙홀'의 dual을 찾아내 '블랙홀'의 정보를 간접적으로 얻어낸다.
- '스티븐 호킹'은 블랙홀에서 정보가 영구 손실된다고 주장했다.
- 하지만 '양자역학'에 의하면 정보는 소실될 수 없다.
1. 호킹 복사
'끈이론(String Theory)'은 '정보이론(Information Theory)'에 등장하는 난해한 '역설(Paradox)'과도 밀접하게 관련되어 있다. 사실 블랙홀은 완전히 검은 천체가 아니다. 소량의 에너지가 양자역학의 '터널효과(Tunnel Effect)'에 의해 서서히 밖으로 새어 나오고 있기 때문이다. 양자역학에 의하면, 물질이나 에너지의 흐름이 강한 장벽에 부딪혔을 때, 그들 중 일부는 벽을 뚫고 빠져나올 수 있다. 그 결과 블랙홀을 소량의 '복사(Radiation)'를 서서히 방출하고 있는데, 이것을 '호킹 복사(Hawking Radiation)'라고 한다.
'블랙홀의 복사'는 고유의 온도를 갖고 있으며, 온도는 '사건의 지평선(Event Horizon)'의 면적에 비례한다. '스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942~2018)'은 이와 관련된 방정식을 유도했는데, 정확한 결과를 얻으려면 통계역학적 이론을 십분 활용해야 한다. 이 방정식에서 '통계역학적 이론'은 블랙홀이 취할 수 있는 양자 상태의 개수를 헤아릴 때 특히 필요하다. 일반적으로 '통계역학적 계산'이란 원자나 분자가 취할 수 있는 상태의 수를 헤아리는 작업을 의미한다. 그렇다면 블랙홀의 상태 수는 어떻게 헤아려야 할까?
2. '블랙홀'의 dual을 찾아내 '블랙홀'의 정보를 간접적으로 얻어낸다.
이 문제를 해결하기 위해, 하버드대학의 '앤드루 스트로밍거(Andrew Strominger, 1955~)'와 '쿰룬 바파(Cumrun Vafa, 1960~)'는 'M-이론(M-Theory)'을 이용하여 블랙홀의 특성을 분석하였다. '블랙홀'은 직접 다루기가 어려웠으므로, 그들은 다른 각도로 문제에 접근하면서 "블랙홀의 dual은 무엇인가?"와 같은 질문을 제기하였다. 블랙홀의 '듀얼(Dual)'을 찾아내어 그 특성을 분석하면, 블랙홀을 직접 상대하지 않고서도 많은 정보를 얻을 수 있다.
'앤드루 스트로밍거(Andrew Strominger, 1955~)'와 '쿰룬 바파(Cumrun Vafa, 1960~)'는 일련의 수학적 과정을 거친 끝에 블랙홀의 '듀얼(Dual)'은 '1-브레인(1-brane)'과 '5-브레인(5-brane)'의 조합이라는 사실을 알아냈다. 이것은 매우 희망적인 결과이다. 왜냐하면 '1-브레인(1-brane)'과 '5-브레인(5-brane)'의 양자적 상태 수는 비교적 쉽게 계산할 수 있기 때문이다. '앤드루 스트로밍거(Andrew Strominger, 1955~)'와 '쿰룬 바파(Cumrun Vafa, 1960~)'는 이 계산을 수행하여 '스티븐 호킹'과 동일한 결과를 얻어내는 데 성공했다. 물리학자들에게 이것은 커다란 희소식이었다. 실제 세계에 적용할 수 없다는 비난을 감내하던 '끈이론'이 '블랙홀 열역학의 해'를 가장 우아한 방법으로 구한 것이다.
3. '스티븐 호킹'은 블랙홀에서 정보가 영구 손실 된다고 주장했다.
이제 끈이론 학자들은 블랙홀 물리학의 가장 커다란 수수깨끼인 '블랙홀 정보 역설(black hole information Paradox)' 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. '스티븐 호킹'은 블랙홀로 무언가를 던졌을 때, 그 안에 들어 있는 정보는 영원히 소실된다고 주장했다. 만약 스티븐 호킹의 주장이 옳다면, 블랙홀은 완전범죄의 수단으로 사용될 수도 있다. 일단 범죄를 저지른 후 모든 증거들을 블랙홀 속으로 던져 넣으면 복구할 방법이 없다. 멀리서 바라볼 때, 블랙홀에 관하여 우리가 얻을 수 있는 정보라고는 '질량(mass)'와 '스핀(spin)', '전하량(Quantity of Electric Charge)'뿐이다. 어떤 물체이건 간에, 일단 블랙홀 안으로 빨려 들어가면, 그 물체와 관련된 모든 정보들은 결코 복구될 수 없다. 그래서 물리학자들은 '블랙홀은 머리카락이 없다'고 말한다. 그 안에서는 질량, 스핀, 전하를 제외한 모든 정보들이 소실되기 때문이다.
'스티븐 호킹'의 책에는 다음과 같이 적혀 있다. "대부분의 물리학자들은 정보가 손실되지 않는다고 믿고 있다. 아마도 그 저변에는 우리의 세계가 안전하고 예견 가능하다는 생각이 깔려 있을 것이다. 그러나 아인슈타인의 일반상대성이론에 의하면 시공간에는 일종의 매듭이 형성되어 있고, 그 근방에서 정보는 얼마든지 유실될 수 있다. 정보의 유실 여부를 결정하는 것은 오늘날 이론물리학이 안고 있는 커다란 숙제이다." '아인슈타인 이론'에 따르면, 우주에 관한 정보가 손실되는 것은 필연적인 결과처럼 보인다.
4. 하지만 '양자역학'에 의하면 정보는 소실될 수 없다.
그런데 사실 이것은 정보가 결코 손실되지 않는다'는 '양자역학'의 원리에 위배된다. 원래의 물체가 블랙홀에 잡아먹힌 후에도, 그 물체와 관련된 정보는 우주의 어딘가에 남아 있어야 한다. 그래서 '스티븐 호킹'은 그의 의견에 반대하는 물리학자들과 백과사전 전질을 걸고 내기를 벌이기도 했다. '스티븐 호킹'은 과거에 했던 계산을 다시 수행한 끝에 "블랙홀로 빨려 들어간 책은 복사장을 교란시키며, 이 과정에서 책에 담긴 정보는 밖으로 유출될 수 있다."는 결론을 내렸다. 물론 정보 자체는 이리저리 난도질을 당하여 완전히 망가져 있겠지만, 어쨌거나 정보의 흔적이 블랙홀 밖으로 서서히 유출된다는 점을 시인한 것이다. 2004년에 '스티븐 호킹'은 TV 카메라 앞에서 정보이론에 대한 자신의 생각이 틀렸음을 시인했고, 인터뷰 내용은 '뉴욕타임스'의 머리기사를 장식했다. 이로써 '스티븐 호킹'은 정보가 유실되지 않는다고 믿는 양자역학의 주류에 합류할 수 있었다.
그러나 여기에는 아직 해결되지 않은 문제가 남아 있다. '정보(information)'은 '평행우주(Parallel Universe)'들 사이를 오락가락할 수 있을까? 잃어버린 정보의 행방은 어디로 간 걸까? 예를 들어, 블랙홀을 향해 책을 던졌다면 책에 들어 있는 정보들은 '호킹 복사(Hawking Radiation)'를 통해 서서히 우주 공간으로 방출될 것이다. 또는 '블랙홀(Black Hole)'의 반대쪽에 있는 '화이트홀(White Hole)'을 통해 밖으로 유출될지도 모른다. '끈이론'이나 '양자중력이론(Quantum Gravity Theory)'이 완성되기 전까지 '블랙홀 정보 역설(Black Hole information paradox)'은 여전히 미해결 문제로 남아 있을 것이다.