노벨상 문지방을 못 넘은 스티븐 호킹(2)

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타임머신이 영화처럼 그렇게 간단한 것이 아니라는 사실은 이제 충분히 이해했을 것이다. 타임머신이 불가능한 이유로 다음의 다소 철학적인 설명도 있다. 역사가 바뀌지 않도록 시간 순찰차가 언제나 감시하고 있는데 자연계에도 시간순서보호국이 존재하고 있다는 것이다. 그런데 타임머신은 시간의 본성을 어기는 것이므로 이와 같은 상황은 절대로 일어날 수 없다는 것이다.

이 설명을 보다 쉽게 풀이하면 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로만 흐르듯이 시간은 한 방향으로만 흐른다는 점이 강조된다. 즉 시간은 과거에서 현재로, 현재에서 미래로만 향한다는 뜻이다. 아직까지 시간이 미래에서 현재로, 현재에서 과거로 역류한 예는 없었다. 따라서 어떤 기계를 만들더라도 이러한 시간의 비가역성을 바꾸어놓을 수 없으므로 타임머신은 불가능하다는 결론이다.

어찌어찌 과거로 여행할 수는 있다 하더라도 이미 일어난 과거에는 아무 영향도 미칠 수 없다는 의견도 있다. 「백 투 더 퓨처」에서처럼 마티가 어머니가 될 여자와 사랑에 빠지고 싶어도 결코 그렇게 될 수 없는 상황이 발생하며, 자신의 아버지를 살해하려 해도 총알이 빗나가든가 누군가가 대신 맞아 주어 그 일은 결코 성공할 수 없게 된다는 뜻이다. 「타임머신 2」에서도 이런 가설을 채택하여 주인공 하디건은 과거로 돌아갔지만 약혼자 엠마가 계속 죽자 과거를 변경할 수 없다는 사실을 깨닫고 낙담한 후 미래로 방향을 돌린다.

이러한 생각은 타임머신의 패러독스를 해결하는 방법으로 그럴 듯하기는 하지만 인류의 모든 과정이 이미 결정되어 있다는 유쾌하지 않은 모순점에 도달한다. 영화 「터미네이터」에서와 같이 이미 일어난 사건이나 재앙을 막기 위해 과거로 여행한다는 발상 자체가 아예 불가능하다는 것이다. 미래로 가는 타임머신도 마찬가지이다. 미래, 즉 후손들에게 미래가 어떻게 전개될 것인지를 말해줄 수 있어야 할 것인데 이 역시 불가능하다는 결론에 도달한다.

타임머신의 개발이 불가능하다는 아주 간단한 증거는 첨단과학기술로 무장했을 미래로부터의 여행자가 아직도 우리들 주위에 나타나지 않았다는 사실로도 알 수 있다. 물론 우리가 사는 이 순간에 미래인들이 몰려오지 않았다는 것만으로 시간여행이 불가능하다고 결론지을 수는 없다. 미래인들이 볼 때 지금이 너무 보잘것없는 시대이므로 미래인이 오지 않을 수도 있다는 주장도 일리가 있다.

 

<시간여행의 방정식 등장>

상대성이론이 태동한 지 30년이 지난 후 뉴저지 프린스턴 고등과학원의 쿠르트 괴델이 드디어 시간여행을 실현시킬 수 있는 명확한 방정식의 해(解)를 찾아냈다고 발표했다. 우주 자체가 회전을 하면 그 주변의 빛을 끌어당기게 되면서 '일시적인 인과율의 고리'가 실제로 생성될 수 있다는 것이다. 이것을 '닫힌 시간성 곡선(시간성 폐곡선 : closed timelike curve)'이라 부르는데, 괴델은 입자 바로 근처에서는 어떤 경우에도 빛의 속도를 초과함 없이 시간의 닫힌 경로에 따라 움직일 수 있으므로 시간여행을 한 뒤에 정확히 출발 지점, 출발 당시의 시간으로 되돌아올 수 있다고 주장했다.

드디어 타임머신을 타볼 수 있는 기회가 생긴 것이다. 괴델은 균일한 속도로 회전하는 우주에서는 거대한 반경으로 원운동만 해도 과거로 돌아갈 수 있다는 환상적인 아이디어를 제시했다. 그러나 환호성도 잠시. 괴델의 아이디어는 불행하게도 우리가 살고 있는 팽창하는 우주가 아니라 균일한 속도로 회전하는 우주에만 적용된다는 점이다. 한마디로 우리가 살고 있는 우주에서 타임머신은 불가능하다는 뜻이다.

그럼에도 불구하고 일단 아인슈타인의 상대성이론을 거스르지 않으면서 극히 한정된 조건 하에서 타임머신이 가능하다는 희망은 학자들을 흥분시키기에 충분했다. 타임머신이 실제로도 가능하다는 조그마한 실마리가 나타나자 갖가지 아이디어가 쏟아지기 시작했다. 그 중 가장 유명한 것이 바로 웜홀(worm hole : 벌레구멍)을 이용하는 것이다.

타임머신 가능 이론 중 가장 잘 알려져 있는 웜홀은 스티븐 호킹의 블랙홀 이론에 따라 1988년에 미국 캘리포니아 공과대학의 손(Kip S. Thorne) 교수 등이 보다 구체적으로 발전시켰다. 웜홀에서는 중력에 의하여 시공간(space time)이 극단적으로 변형되어 두 장소를 순식간에 이동할 수 있으므로 이를 이용하면 타임머신이 가능하다는 것이다.

손 교수가 제시하는 타임머신은 다음과 같다. 먼저 웜홀을 만들어서 두 점을 잇고, 웜홀의 한쪽 입구를 광속에 가까운 속도로 이동시킨다면 특수상대성이론에 의하여 시간의 지연 현상이 반대쪽 입구에서 일어난다. 즉 웜홀의 한쪽 입구의 고유 시간과 시간지연 현상이 있는 다른 입구에서의 시간의 흐름이 서로 달라지는 것이다. 따라서 정지하고 있는 쪽의 웜홀의 입구에서 또 한쪽의 입구까지 이동하고, 그리고 웜홀을 통과하여 원래의 지점으로 되돌아간다면 출발한 시각보다도 앞선 시각으로 되돌아가게 되는 것이다.

손 교수가 웜홀을 착상한 것은 뒤에서 이야기하는 천문학자이자 저술가인 칼 세이건 때문으로 알려졌다. 세이건 박사는 공상과학소설인 『콘택트Contact』를 집필하면서 26광년 떨어진 항성에 1시간 만에 도달하기 위한 방법론을 손 교수에게 질문했다. 손 박사는 그 수단으로 유명한 웜홀을 제안했고 그것으로부터 시간여행 이론은 급속도로 빨리 알려지기 시작했다.

웜홀을 이해하려면 우주에 있다는 블랙홀과 화이트홀을 이해해야 한다. 세 가지 홀은 모두 우리의 상식에서 벗어난 이상한 천체(시공간)라는 공통점이 있다. 우리의 상식에서 어긋나는 까닭은 이들 세 홀이 우리가 잘 알고 있는 지구나 태양의 중력에 비해 엄청나게 규모가 크기 때문이다.

블랙홀이란 간단하게 말하여 ‘물질은 물론이고 빛조차 빨아들여 검게 보인다’라고 간략하게 설명되는데 블랙홀에 대해서도 워낙 많은 자료들이 있으므로 간략하게 언급한다.

블랙홀의 특징은 막대한 중력을 가지고 그 주변의 모든 물체를 일방적으로 삼켜버리는 데 있다. 여기에서 일방적이라는 뜻은 일단 검은 구멍 속으로 들어간 물체는 다시 검은 구멍의 중력으로부터 빠져나올 수 없다는 것이다. 블랙홀에 들어간 물체가 빠져나올 수 없는 것은 탈출속도가 중력을 이기지 못하기 때문이다. 이 말은 중력을 이길 수 있는 속도만 있으면 언제든지 탈출이 가능하다는 뜻으로도 해석할 수 있다.

블랙홀은 별의 진화이론에 따라 생긴 이론으로 일반적으로 별의 진화에서 마지막 단계에 이르면 여러 가지 변수가 생긴다. 그 중에서도 질량이 큰 별, 특히 태양보다 30배 이상 질량이 큰 별은 블랙홀이 되어 생을 마감한다. 실제로 태양이 블랙홀이 되려면 반지름이 3킬로미터가 되어야 하고 지구가 블랙홀이 되려면 1cm 정도로 작아져야 한다. 사람의 경우 전자(10-18m)보다 1천만 배나 더 작아져야 한다. 이론적으로 가장 적은 블랙홀의 질량은 10만 분의 1그램이다. 이렇게 작은 블랙홀은 고온고압 상태였던 빅뱅 때 만들어졌다고 추정된다.

여하튼 천문학자들은 별의 시체로서의 블랙홀을 찾는 데 주력했다. 블랙홀은 이름 그대로 아무런 빛도 내지 않는 존재이기 때문에 우주공간에 홀로 있으면 관측할 방법이 없다. 하지만 학자들은 블랙홀이 쌍성을 이루고 있을 경우에 방출되는 X선을 관측하면 블랙홀의 존재를 알 수 있다는 것을 발견했다.

찬드라는 2000년 1월 18일 백조자리 X-1에서 블랙홀의 증거를 포착했다. 이것은 블랙홀로 밝혀진 최초의 별이며 그 후 NASA는 '허블 우주망원경 통계에 따르면 대부분의 은하에 거대한 블랙홀이 있다'라고 결론을 지었다. 블랙홀은 여느 은하만큼이나 흔한 천체라는 뜻이다.

웜홀, 즉 벌레구멍은 블랙홀의 사촌뻘이 되는 시공간이다. 우주(시공간)의 구조를 결정하는 중력방정식에 의하면 블랙홀과 비슷한 성질을 갖는 웜홀의 해(解)가 자연스럽게 얻어진다. 그런데 이 웜홀이 학자들의 주목을 끄는 이유는 시공간 사이를 잇는 좁은 지름길 역할을 할 수 있다는 점 때문이다.

웜홀은 간단하게 사과 위를 기어가고 있는 벌레에 비유된다. 사과 표면에서만 움직일 수 있는 2차원 공간의 벌레는 표면의 두 점 사이를 표면을 따라서 갈 수밖에 없다. 그러나 제3차원이 허용된다면 두 점을 직선으로 잇는, 즉 사과 속으로 파 들어가는 벌레구멍이라는 지름길이 생긴다. 이와 마찬가지로 별과 별 사이, 또는 우리 은하와 다른 은하 사이에도 이러한 지름길이 있다고 생각하는 것이다.

모든 지름길이 그렇듯이 지름길이 갈라지는 곳에서는 길이 급하게 꺾어지는 법이다. 즉 웜홀은 시공간이 급하게 구부러지는 곳에서 시작된다. 아인슈타인에 따르면 시공간의 구부러짐은 중력에 의한다고 볼 수 있으므로 여기서는 강한 중력이 작용할 것으로 짐작한다. 이것이 블랙홀과 웜홀이 서로 관련을 갖고 있다고 생각하는 이유이다.

화이트홀은 수학적으로는 블랙홀을 시간적으로 뒤집은 것이다. 아인슈타인의 중력방정식은 뉴턴의 중력방정식이나 양자론의 방정식과 같이 시간을 뒤집어도 그대로 성립한다. 화이트홀은 블랙홀과는 반대로 물체를 일방적으로 뱉어내는 구멍이므로 일반상식으로 이해하는 것이 쉽지 않지만 물리학자들은 이론적으로 가능하다고 설명한다.

블랙홀과 화이트홀을 이해하면 웜홀을 이용하여 타임머신이 가능하다는 걸 쉽게 이해할 수 있다. 웜홀은 기관(throat) 모양의 관으로 연결된 두 개의 입구를 갖고 있으며, 여행자는 웜홀의 한쪽 입구로 빨려 들어가 기관을 따라 내려가서 아주 짧은 순간에 다른 쪽 입구로 빠져나올 수 있다고 설명된다. 웜홀은 얼마나 떨어져 있는가는 문제가 되지 않는다. 공간을 굽힐 수 있다면 실제거리가 얼마이든 웜홀의 길이는 일정하게 조절할 수 있기 때문이다. 일례로 지구에서 달까지의 거리는 38만 4,000킬로미터인데 1미터의 웜홀이 생기면 한 발짝만 옮겨도 달에 갈 수 있다. 순간적이기는 하지만 그 과정은 우주를 가로지르는 것이 될 수도 있다. 바로 공상과학자들이 원하는 원리이며 SF 영화들은 대부분 이 이론을 채택한다.

블랙홀 등 난해한 우주 문제를 풀어가면서 타임머신의 가능성을 제시했다는 것만으로도 뉴턴, 아인슈타인과 같은 반열에 올라있다고까지 평가되는데 그가 타임머신에 대한 가능성을 시사했지만 정작 스티븐 호킹은 개인적으로는 타임머신을 제작하는 것이 불가능하다고 생각했다.

호킹 개인적으로는 타임머신을 제작할 수 없다고 생각한다는 점이 매우 충격적이지만 그가 타임머신이 가능하다고 생각한 것은 매우 단순한 생각에서 출발한다는데 큰 장점이 있다. 간단하게 말한다면 그는 블랙홀이 유입된 정보를 밖으로 내보내지 않기 때문에 타임머신이 가능할 수도 있다고 생각한 것이다.

 

<미래와의 조우>

엄밀한 의미에서 타임머신이란 말은 상당히 오래전부터 사람들의 상상력에서 도출되었지만 많은 사람들이 스티븐 호킹을 타임머신의 주인공으로 상정하는 것은 타임머신이 가능할지 모른다고 주장한 사람이 다름 아닌 스티븐 호킹이기 때문이다. 즉 타임머신의 이론적 배경을 스티븐 호킹이 만들어 주었다는 데 중요성이 있다.

스티븐 호킹은 갈릴레오 갈릴레이가 죽은 지 딱 300년, 뉴턴 탄생 300주년이 되는 1942년 1월 8일, 영국 옥스퍼드에서 의사인 프랭크 호킹과 이사벨 호킹의 맏아들로 태어났다. 당시 아버지는 국립의료원의 기생충과 과장이었는데 8살 때 가족은 런던 근교 세인트앨번스로 이사 갔다. 그는 매우 내성적인 아이였는데 그들의 가족은 집에서 식사하기 전 조용하게 책을 읽은 뒤 밥을 먹었다고 한다.

그는 처음 여자전문학교인 세인트앨번스 소녀학교를 다녔는데 소년들도 10살까지 다닐 수 있었기 때문이다. 11살에 세인트앨번스학교로 전학하였는데 처음에는 그의 명석함이 드러나지 않았지만 한 친구는 그가 똑똑한 꼬마 과학자였다고 회상했다.

17세의 나이에 장학금을 받고 옥스퍼드 대학에 입학했는데 그의 성적이 옥스퍼드대학에 입학할 정도는 아니지만 물리시험 성적이 우수하여 시험관을 놀라게 한 덕에 특별 입학이 허용된 것이다. 원래 그는 수학을 전공하고 싶었지만 옥스퍼드 대학교의 대학원에 수학교수가 없으므로 물리학을 선택했다고 한다.

철학자 버트런드 러셀을 숭배하는 평범한 학생으로 체격도 왜소하여 내성적인 성격이므로 친구들이 거의 없었다. 그러나 초창기 대학 생활을 혼자서 지내다가 친구들과 어울렸고 유명한 옥스퍼드 조정팀에서 키잡이가 되기도 했다. 조정팀은 원래 체격이 좋아야하지만 키잡이는 노를 젓지 않기 때문에 왜소한 학생이 적격이였다.

3년 뒤 최우등으로 졸업한 그는 우주학을 배우기 위해 케임브리지 대학원으로 갔다. 케임브리지 대학원에서 우주론박사과정을 막 시작할 무렵 계단에서 자주 굴러떨어지는 등 어의없는 사고를 겪더니 몸속의 운동신경이 차례로 파괴되어 서서히 온몸이 마비되는 루게릭병에 걸렸다고 판정받았다.

천재성을 막 싹 틔우던 21살 때로 의사는 2년의 시한부 인생을 선고했다. 의사 판정대로라면 1965년에 그는 이미 죽었어야 하는데 그는 2018년까지 살았으며, 그는 치명적인 병에 걸렸다는 것을 알자 생전에 무언가 성취하겠다는 굳은 결심을 한다. 그는 당시를 다음과 같이 회상했다.

 

‘그 당시 내 꿈은 혼란스럽기만 했다. 건강 상태에 대한 진단이 내려지기 전까지 나는 삶에 대해 지겨워하고 있었다. 가치가 있는 어떠한 일이라도 보잘것없어 보였다. 하지만 병원에서 나온 날 나는 내가 처형되는 꿈을 꾸었다. 형 집행이 연기만 된다면 내가 할 수 있는 가치있는 일들이 많다는 것을 문득 깨달았다.’

 

그의 병세는 의사가 예상한 것보다 훨씬 느리게 진행되었고 지도교수인 스키아마교수의 지도하에 상대론과 우주론을 본격적으로 연구하기 시작했다. 그는 루게릭병을 진단받기 직전에 사귀었던 제인 와일드와 결혼하여 세 명의 아이를 낳았다.

1985년 제네바에 있는 유럽입자물리학연구소를 다녀온 후 폐염 진단을 받아 기관지절개수술로 파이프를 통해 호흡하고 목소리를 완전히 잃었지만 극적으로 건강을 회복했다. 이후 스티븐 호킹이 유일하게 움직일 수 있는 것은 두 개의 손가락으로 음성합성기 등을 통해 말하고 글을 쓸 수 있었다. 이러한 신체적인 악조건에도 불구하고 그가 이론물리학에서 세계적인 학자가 될 수 있는 것은 이론물리학의 특수성 때문이다. 그와 정상우주론 제창자인 프레드 호일과의 첫 조우 장면은 그야말로 전설적이다.

프레드 호일이 영국왕립학회에서 자신의 정상우주론(우주가 팽창하면서 새로운 물질이 계속 생성되어 평균 밀도가 꾸준히 유지된다는 가설)에 관한 강연을 하면서 우주가 영원히 팽창하는 것처럼 보이지만 팽창과 수축 사이를 꾸준히 맴돌고 있다고 주장했다. 강연이 끝나자 젊은 대학원생인 호킹이 호일에게 질문했다.

 

호킹 : 교수님이 말씀하신 그 양은 발산(특정한 값, 즉 극한에 가까워지지 않으면서 극한이 없는 것을 의미)합니다.

호일 : 그렇지 않네.

호킹 : 그렇습니다.

호일 : 그걸 어떻게 알지?

호킹 : 제가 알아냈으니까요.

 

그의 장담은 그가 곧바로 정립한 이론으로 증명되었고 곧바로 박사학위를 받았으며 호킹은 일약 유명인사가 된다. 이론물리학은 사고능력만 있으면 연구할 수 있는 학문이어서 뉴게릭병이 오히려 호킹으로 하여금 연구에 매진하는 계기가 되었다고 볼 수 있다. 시한부인생을 살고 있는 호킹은 자신이 죽기 전에 인류의 최대 의문을 풀어야한다고 생각했다.

 

‘우주의 만물은 어떻게 시작했을까. 탄생의 순간은 어떠했을까.’

 

한마디로 우주의 청사진을 밝혀보자는 원대한 꿈이었다. 그는 우주 탄생 이유와 소멸 여부를 해석하면 우리 인간이 왜 지구라는 곳에 있는가를 풀 수 있다고 생각했다. 즉 왜 현재와 같은 우주가 되었는가이다.

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