노벨상 문지방을 못 넘은 스티븐 호킹(3)

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1960년대만 해도 과학자들은 우주는 출발점이 없고 불멸하다고 생각했다.

그런데 빅뱅가설은 이를 순식간에 뒤집었다. 빅뱅이란 극도로 작은 것이 한순간에 폭발하여 현 우주가 생성되기 시작되었다는 것으로 이는 우주가 폭죽처럼 작은 것이 한 순간에 폭발하여 만들어졌다는 것을 의미한다. 이 설명을 들으면 누구나 어떻게 아무것도 없던 한 점 즉 무에서 우주가 생길수 있었느냐라는 질문을 던진다. 호킹도 바로 이 질문을 제기했다.

그는 루게릭병임에도 불구하고 제인과 결혼하여 다소 안정을 찾자 보다 본격적으로 우주의 시작과 끝이 있다면 어떤 모습일까를 재현하는데 도전했다. 마침 호킹은 옥스퍼드의 젊은 수학자 로저 펜로스의 블랙홀에 대한 강의를 들었다. 펜로즈 교수는 당대로서는 놀라운 가설을 발표했는데 그것은 사건의 지평면 안쪽 블랙홀의 정중앙에 모든 질량이 줄어들어 완전히 사라지는 점(특이점)이 있다는 것이다. 즉 거대한 물체가 사라지는 공간이 존재한다는 것이다.

호킹은 이 생각을 뒤집어서 생각했다. 물질이 유에서 무로 변한다면 그 반대 즉 무에서도 유가 가능하지 않겠는가이다. 호킹의 발상전환은 곧바로 아인슈타인의 중력 즉 상대성이론의 재해석이다.

아인슈타인의 상대성이론은 중력이 우주에 미치는 영향에 대한 해석이라고도 볼 수 있다. 아인슈타인은 중력이 두 물체 사이에 영향력을 주는 것에 그치는 것이 아니라 공간을 왜곡시키는 힘이라고 설명했다. 이를 시간과 공간이 직물처럼 짜여있다고도 설명된다. 이 직물 위에 올려놓는 물체가 클수록 예를 들어 지구보다 큰 목성을 올려놓으면 더 움푹 파인다는 것이다. 그런데 이 직물이 한계점으로 늘어난다면 즉 엄청난 그 무엇이 직물에 가해진다면 극적인 상황이 일어난다. 즉 물질이 사라질 수 있는 공간이 생기며 이때 지나가는 물체가 안으로 빨려 들어간다는 것이다. 이것이 유명한 블랙홀로 간단하게 말하여 직물이 더 이상 지탱하지 못하고 공간이 뚫리며 이곳에서는 물리법칙이 통하지 않고 시공간이 사라진다는 것이다.

호킹의 천재성은 이때부터 발휘된다. 아인슈타인의 이론에 의하면 특이점에서 물리법칙이 통하지 않고 시공간이 사라지는데 호킹은 이와 반대 상황도 일어날 수 있다는 것이다. 이를 간단하게 설명한다면 특이점의 방향을 바꾼다면 팽창 즉 폭발이 일어날 수 있다는 것이다. 한마디로 특이점에서 공간, 물질, 시간이 뿜어져 나왔다는 것으로 이는 빅뱅과 같은 상황이다. 특이점이라는 작은 공간이 빅뱅을 만들었다는 것 즉 우주 탄생에는 시점이 있다는 것이다.

우주의 시초가 있다는 것은 호킹의 설명은 곧바로 빅뱅 즉 대폭발의 원인이 무엇인가로 귀결된다. 물리학적인 문제로 들어가면 여기에서도 아인슈타인의 이론을 넘어야 한다. 대폭발을 설명하려면 미시세계를 이해해야하는데 문제는 중력의 법칙을 거스리는 원자는 없다는점이다. 그런데 20세기 최대의 역작이라고 볼 수 있는 양자론은 중력이론과는 매우 다른 결과를 도출시킨다. 상대론은 거시세계에서는 정확하게 작용하지만 미시세계에서는 중력이 큰 영향을 미치지 못한다는 점이다. 이것은 양자론과 상대성이론이 상충한다는 것을 의미한다. 양자론에서는 혼돈으로 가득 차있다고 설명한다. 그동안 설명되던 전자가 원자핵 주위를 궤도에 따라 도는 것이 아니라 전자가 불쑥 나타나고 사라지는 혼돈 상황인데 이 상황에서도 값은 작지만 중력이 작용해야 한다는 절대적인 명제가 생긴다.

사실 물리학계에서 상대성과 양자론을 결합시키는 것이 기본 명제였다. 상대성이론을 도출한 아인슈타인이 죽을 때까지 매달린것도 자신의 중력이론과 양자론을 접목시키는 이론 즉 만물이론을 만드는 것이다. 결국 아인슈타인은 이에 성공하지 못했지만 호킹은 이를 해결할 수 있다고 생각했다. 우선 그는 자신의 질병에도 불구하고 자신의 이론을 완성시키기 전에는 죽고 싶은 생각이 없었다. 한마디로 자신에게 닥친 신체적인 역경을 만물의 이론을 만들라는 채찍으로 생각했다.

호킹의 생각은 단순하다.

빅뱅이 일어나는 순간에도 중력과 양자이론이 상충한다는 것이다. 이는 블랙홀 안에서도 두 이론이 상충한다는 뜻으로 이를 통합하는 것이 결국 블랙홀과 빅뱅을 이해하는 기본이라는 것이다. 블랙홀 경계에서 모든 것을 빨아들인다는 것은 어떤 것도 존재할 수 없다는 것을 의미한다. 그런데 양자역학에서는 미시세계에서 빈공간이 존재하지 않고 에너지 파동이 작은 입자를 생성하는데 이때 항상 양에너지와 음에너지가 쌍으로 발생하여 서로 충돌하면서 모든 것을 파괴한다.

호킹은 이들 가상의 한 쌍을 블랙홀 옆에 두면 어떻게 될까 즉 입자가 어떻게 되는지를 검토했다. 호킹은 입자가 양성과 음성으로 나뉘지만 둘의 진로는 분명히 다르다고 설명했다. 음성입자는 블랙홀로 유입되지만 양성입자는 에너지가 충분해 블랙홀로 빨려 들어 가는 것이 아니라 발산한다는 것이다. 블랙홀을 탈출할 수 있는 입자가 존재할 수 있다는 것으로 이것이 유명한 호킹 복사다.

이를 풀어서 설명한다면 빅뱅은 기본적으로 블랙홀의 반대이며 우주의 모든 물질을 포함하는 무한히 작은 점인 특이점에서 시작된 것이라는 설명이다. 호킹 박사가 1975년에 이를 정리하여 다음과 같이 설명했다.

 

'거대 질량이 수축·붕괴해 생긴 ‘무한히 작은 점’인 블랙홀에는 엄청난 중력이 존재해 모든 것을 빨아들여 파괴되므로 블랙홀에는 아무런 구조도 정보도 없다는 것을 순수한 수학적 계산을 통해 입증했다.'

 

그런데 블랙홀 중력의 가장자리(‘사건의 지평선’)에선 이른바 ‘호킹 복사’라는 에너지 방출이 일어나 블랙홀은 결국 질량을 잃어 소멸한다고 밝혔다. 호킹 복사는 애초 정보가 아닌 소실된 정보이므로, 결국 과거의 정보는 블랙홀 소멸과 더불어 ‘흔적 없이 존재를 상실한다’는 얘기다.

호킹의 설명으로 중력과 양자론이 통합될 수 있는 계기를 마련했지만 그의 설명에서 한가지 집고 넘어가야 하는 것은 중력이 우주의 4가지 힘(중력, 약력, 강력, 전자기력) 중에서 가장 약한 이유가 무엇인가하는 점이다. 빅뱅 당시 전자기력과 중력의 힘은 거의 같았다. 그런데 우주가 팽창하면서 중력이 약화된 반면 전자기력은 매우 강한 힘을 갖게 되었는데 이 이유야말로 현 우주의 존재 이유까지 거론된다.

이 문제에 관한 한 호킹과 다른 우주론이 등장한다. 마이클 그린 박사가 주도하는 끈이론이다. 그는 우주를 지배하는 법칙 즉 가장 작은 입자에서 큰 행성, 항성까지 진동하는 끈으로 이루어졌다고 주장한다. 그런데 그는 끈이론을 접목시키면서 우리의 기본 차원 즉 ‘폭, 높이, 길이’의 3차원 공간이 아니라 최소한 9차원이 존재한다고 설명한다. 다소 SF 소설이야기처럼 들리지만 우리들이 9차원을 이해하지 못하는 것은 너무나 작아 관찰되지 않기 때문이라고 주장했다.

우리가 알아차릴 수 없는 차원이 어떻게 존재할까하는 질문에도 우리가 볼 수 없다하여 존재하지 않는다는 것은 아니라고 받아친다. 즉 너무 작아 우리들이 볼 수 없는 부가차원이 반드시 존재한다는 것이다. 부가차원을 적용하면 중력이 약화되는 것을 설명할 수 있다.

그는 한 예로 바이올린 소리를 들었다. 바이올린 소리를 연주자 옆에서 들으면 매우 크게 들리지만 점점 거리가 멀어지면 소리가 적어지다가 전혀 들리지 않는다. 이는 소리가 여러 방향으로 나가기 때문이다. 그린 박사는 중력을 음악소리라면 중력이 약해지는 이유를 설명할 수 있다고 설명한다. 부가차원은 매우 작은 매듭으로 서로 엉켜있지만 우주의 팽창으로 중력이 분산되어 약화되는 것은 당연하다는 것이다. 이는 부가차원이 많을수록 즉 차원이 많을수록 중력이 퍼져나가기 쉽다는 뜻으로도 이해되는데 이의 중요성은 부가차원이 우주가 약화되는 것을 막아준다는 것이다. 한마디로 중력이 무한정으로 약화되는 것이 아니라 이것이 약하지만 우주에서 중력이 영향을 미칠 수 있는 영향력은 제공한다는 뜻이다. 즉 부가차원이 중력을 잡고 있기 때문에 우주가 존재할 수 있다는 것이다.

그린 박사의 끈 이론은 호킹의 문제점을 설명해주는데 완벽하게 증명된 것은 아니지만 우주의 생성 이론에 한걸음 더 나간 것은 사실이다. 그러나 호킹의 주제는 블랙홀이 궁극적으로 우주의 생성을 의미하는 빅뱅의 원천이나 다름없다는 것이다. 호킹은 일반 사람들의 상식과는 달리 블랙홀은 소모한 에너지만큼 홀쭉해지기도 하며 마침내 증발하기도 한다고 발표했다. 미니 블랙홀이 에너지를 내뿜을 때는 검은색이 아닌 흰색이 될 수도 있다는 것이다. 현재까지의 이론에 의하면 미니 블랙홀이 소멸되면 그 자리에는 빛만 남게 된다. 이것은 우주가 블랙홀로 모두 끌려들어가지 않는다는 것을 의미하며 궁극적으로 현 우주가 존재할 수 있는 요인이 된다. 즉 우리가 살고 있는 태양계 한마디로 지구에 우리가 살 수 있는 것이다.

호킹의 가설에 많은 학자들이 환호한 것은 그가 양자물리학을 블랙홀 연구에 도입함으로써 양자물리학을 우주학 전 분야로 끌어들여 모든 것을 포용하는 우주 물리이론으로의 길을 열었다는 점이다. 그는 일반적으로 빅뱅과 블랙홀, 상대성이론과 양자물리학을 함께 포용했다고 평가된다.

그는 자신의 생각을 『시간의 역사』로 1987년 4월 1일 만우절에 출간했다. 놀랍게도 이 책은 복잡한 주제임에도 불구하고 공전의 베스트셀러가 되어 역사상 가장 잘 팔린 과학서적이 되었다. 그의 책이 왜 그렇게 잘 팔렸는지를 정확하게 판단할 수는 없지만 호킹이 우주의 궁극적인 진실의 일부를 밝혀낼 것으로 기대하기 때문이라는 설명도 있다.

 

<딸 우주 탄생>

호킹의 가설에 의하면 유명한 다른 세계 즉 다른 우주의 아이디어가 태어난다. 스티븐 호킹의 블랙홀 이론에 의해 파생된 웜홀을 곰곰이 따져보면 색다른 아이디어가 태어날 수 있다. 그것은 다른 세계의 우주가 존재할지도 모른다는 것이다. 학자들은 시간의 축을 따라 현재에서 미래로 일방 통행하는 여행과는 달리 공간 축으로 여행할 경우 상황이 달라질지도 모른다는 점에 착안했다.

우리는 공간상 모든 방향으로 자유롭게 움직인다. 휴가를 위해 자동차를 타고 서울에서 부산으로 향하다가 맘이 바뀌면 차를 돌려 설악산으로 갈 수 있다. 공간은 시간과는 달리 어느 특정한 방향성을 갖고 있지 않기 때문이다. 이와 같이 자유로운 공간의 이동성에 대비하여 시간의 경직된 방향성을 물리학에서는 '시간의 비대칭성(time asymmetry)'라고 한다.

이 비대칭성에 착안하여 앨리스(G. F. R. Ellis)는 만약에 우주가 무한하다면 우리와 같은 모습을 한 우주가 어딘가에 존재하고 있다는 가설을 제기했다. 우주가 무한하다면 우리가 모르는 셀 수 없는 대폭발(Big Bang)이 있을 것이고, 따라서 제각기 나름대로 진화하고 있는 우주가 셀 수 없을 정도로 많이 존재할 수도 있다는 뜻이다.

그의 가설에 따라 수많은 SF 작품들이 태어났다. 마이클 크라이튼의 『타임라인』이 바로 이러한 아이디어를 차용했다. 그는 우리가 경험하는 세계는 그와 동등한 많은 세계들 중의 하나라고 가정한다. 타임머신을 타고 과거로 여행할 때 여행자는 그가 살아온 세계로 여행하는 것이 아니라 자신이 살던 세계와 평행적인 다른 세계로 여행한다.

이 경우의 장점은 여행자가 도착한 다른 세계에서 그의 아버지를 살해하거나 어머니와 결혼해도 문제가 되지 않는다. 그가 도착한 세계에서 그의 의지에 따라 새로운 역사를 만들 수 있기 때문이다.

그의 이런 발칙한 상상이 아무런 모순점이 없다는 것은 물리학 지식을 이용한 ‘무한우주’라는 개념을 초기에 설정했기 때문이다. 우리가 모르는 우주들이 있고 그것들은 각각의 다른 역사를 갖고 있을 터이므로 우리의 과거 미래 또는 갖가지 다른 역사를 가진 우주가 존재한다는 것은 그렇게 무리한 설명은 아니다.

국내에서 만들어진 게임 「창세기전」에도 유사한 이론이 나온다. 시간여행의 모순점으로 미래의 사람이 타임머신을 통해 과거로 들어가 역사의 진행을 방해할 경우 미래 세계에 큰 영향을 미친다는 반발을 '평행세계'이론으로 교묘하게 빠져나간다.

이러한 무한우주 즉 다중우주의 개념은 이제까지 논의한 타임머신과는 또 다른 이론으로 발전할 수 있음을 보여준다. 즉 시간여행이라면 시간 축을 따라 과거나 미래로 가는 여행이 아니라 무한우주로 여행을 가서 어느 우주에 도착해보니 그곳엔 우리의 10년 전 모습의 사람들이 살고 있을 수 있다는 것이다. 그러므로 우리는 10년 전의 과거로 여행한 것이 된다. 그곳의 모습이 우리의 10년 전, 100년 전 모습과 정확히 같다면 물리학적으로 '구분불가능(indistinguishable)'으로 부를 수 있다. 즉 우리는 과거로의 시간여행을 한 것이다.

웜홀을 실질적으로 태어나게 만든 장본인인 칼 세이건의 동명소설을 영화화한 「콘택트Contact」는 외계인에 대한 인간의 관심을 단적으로 보여주는 영화이다.

앨리 애로우는 밤마다 우주의 모르는 상대의 교신을 기다리며 단파방송에 귀를 기울인다. 그녀는 '이 거대한 우주에 우리만 존재한다는 것은 공간의 낭비다'라는 생각에 외계생명체를 찾아내려고 한다. 그녀의 목표는 이루어져 드디어 베가성(직녀성)으로부터 정체불명의 메시지를 수신한다. 그것은 1936년 나치 히틀러 시대에 개최된 뮌헨 올림픽 중계방송이 발신되자 이것을 외계인이 수신하여 다시 지구로 발송한 것인데 그 프레임 사이에 은하계를 왕복할 수 있는 운송 수단을 만드는 데 필요한 수만 장의 디지털 신호가 담겨 있었다.

우여곡절을 겪은 후 애로우는 우주선을 타고 베가성에 도착하여 아버지의 형상을 한 사람과 이야기를 나눈다. 이 장면을 보고 아버지가 사망했는데 어떻게 다시 나타나느냐고 시나리오의 모순점을 질책하는 사람도 있는 모양이지만 천만의 말씀. 이 장면은 손 교수가 주장한 웜홀을 이용하여 우주 어디엔가 우리와 똑같은 환경을 가진 우주로 이동할 수도 있다는 무한대의 우주이론을 접목시킨 것이다. 감독들이 과학에서 새로운 이론이 나오면 곧바로 자신의 영화에 어떻게 활용할 수 있는지를 보여주는 예이다.

이를 학자들은 공기방울에 비유한다. 공기방울 안에 우주가 있는데 이 안에 다른 공기방울도 있다는 것이다. 또한 큰 공기 방울도 있고 작은 공기방울도 있다. 즉 우리 우주도 공기방울 중 하나라는 것이다. 이것은 다른 공기방울 안에도 생명체가 있을 개연성을 높여준다.

여하튼 지금 이 시간에 수많은 우주가 존재하고, 그래서 어느 우주에 나와 똑같은 모습을 하고 똑같은 옷을 입고 ‘나’와 똑같은 생각을 하면서 책을 읽고 있는 또 하나의 ‘나’가 존재할 수도 있다는 생각은 인간에게 알지 못할 위안과 기쁨을 준다. 어느 우주엔가 지구의 근대사와 똑같은 시대가 벌어지고 있는데 지금의 현실과는 달리 광개토대왕이 옛날 차지했던 만주 벌판이 한국 땅으로 존재하는 곳일 수도 있다. 임진왜란이 발발했지만 조선군이 역습하여 일본을 점령하고 오히려 일본을 식민지로 만들고 있을지도 모른다.

무한우주의 개념은 구 소련의 린데(A. Linde)에 의해 구체화되었는데 그는 인플레이션 우주론을 통하면 이런 우주들이 자연스럽게 생성된다고 주장했다. 린데는 이렇게 각양각색으로 생기는 우주들을 '딸 우주(daughter universes)'라고 불렀다. 기존 인플레이션 우주론의 모델들을 면밀하게 살펴보면 이런 딸 우주들이 도처에서 생기는 수학적 해(解)가 나타난다. 다만 이들 각개 우주 간에는 어떤 교신도 불가능하다. 왜냐하면 이들 ‘딸 우주’간에는 오직 빛의 속도보다 빠르게 여행하는 여행자만 건널 수 있는 '시공간의 여울(spacelike interval)'이 존재하기 때문이다. 그러나 특수상대성이론에 의하면 어떤 관측자도 빛의 속도에 이를 수 없다. 이런 관점에서 본다면 시간의 비대칭성, 즉 우리가 과거로 여행할 수 없다는 것은 결국 우주가 유한하거나 빛보다 빠른 속도로 여행하지 못한다는 절대적인 한계 때문이지만 이 역시 블랙홀이란 개념을 이용하면 다른 우주로의 이동이 가능할 수 있게 된다. 블랙홀이 SF작가들을 비롯한 수많은 전문학자들에게 절대적인 지지와 애정을 보이는 이유이다.

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