칼 세이건을 잇는 우리 시대의 물리학자
브라이언 콕스의 블랙홀 연구 결정판!
“블랙홀의 아름다움을 느낄 수 있는 책.” 물리학자 김범준 추천

‘블랙홀’은 누구나 알지만 아무도 모르는 존재다. “블랙홀을 알기 위해서는 물리의 거의 모든 내용을 알아야 한다”고 할 만큼, 블랙홀은 물리학, 천문학 등을 공부할 때 절대 빼놓을 수 없고, 블랙홀을 통하지 않고서는 우주에 진입할 수 없다. BBC 과학 다큐멘터리 〈경이로운 우주〉 〈경이로운 생명〉 등에 출연하면서 유명해진 브라이언 콕스는 과학의 신비를 대중에게 알리는 데 중요한 역할을 하며 “차세대 칼 세이건”이라는 명성을 얻은 물리학자다. 같은 대학에서 입자물리학을 가르치는 제프 포셔와 함께 연구를 진행하며 그간 《퀀텀 유니버스》 《E=mc2 이야기》 등 몇 권의 베스트셀러를 출간했다. 두 물리학자의 연구가 이번에는 블랙홀을 향한다.

제목에서 알 수 있듯 이 책의 주제는 블랙홀이다. 블랙홀의 정체를 밝히기 위해 고군분투했던 과학자들의 수많은 논쟁과 연구로 책의 서막이 열린다. 호기심에서 시작된 연구는 블랙홀에서 우주의 기원과 시공간의 근본적 특성까지 유추하는 수준에 도달했다. 양자역학, 사건지평선, 일반상대성이론, 특이점, 호킹 복사, 커 블랙홀, 슈바르츠실트 해, 펜로즈 다이어그램 등 블랙홀에 관심 있는 독자라면 한 번쯤 들어봤을 법한 내용으로 가득하다. 첫 페이지를 펼치는 순간 우리는 왜 블랙홀을 안다는 게 어려운 일인지 곧바로 깨닫는다. 블랙홀의 세계로 들어가기 위해서는 양자역학, 상대성이론, 열역학을 알아야 하는데 이는 곧 물리학의 거의 모든 내용을 알아야 한다는 뜻이기 때문이다. 아인슈타인에서 스티븐 호킹 그리고 오늘날 양자역학 연구에 이르기까지 한 세기에 걸친 물리학의 최전선을 향한 과학적 여정은 우리 우주가 거대한 양자 컴퓨터일 수도 있다는 놀라운 결론에 도달한다. 이 책은 결코 쉽지 않지만, 물리학자 김범준 교수의 말처럼, 저자의 친절한 안내에 따라 찬찬히 읽어나가다 보면, 블랙홀의 아름다움을 생생하게 느낄 수 있을 것이다.

자연이 구현한 가장 아름다운 천체, 블랙홀
중력과 시공간의 관계를 밝혀낼 환상적인 우주 탐험

은하수의 중심부에는 태양 질량의 400만 배에 달하는 천체가 자리잡고 있다. 그 일대의 시간과 공간은 그로 인해 크게 뒤틀려 있어서, 빛조차 빠져나오지 못한다. 은하수 중심에서 반경 1200만 킬로미터짜리 구球의 내부는 외부와 완전히 단절되어 있다. 이 구의 표면이 바로 ‘사건지평선’이다. 일반상대성이론에 의하면, 바로 그 안에 ‘시간의 끝’, 즉 특이점이 존재한다. 특이점을 포함하는 사건지평선 너머의 세계가 바로 블랙홀이다. 이 책은 블랙홀의 왜곡된 시간과 공간, 블랙홀의 시공간을 그림으로 나타낸 펜로즈 다이어그램, 웜홀과 화이트홀, 커의 블랙홀, 블랙홀과 열역학, 호킹 복사, 양자적 얽힘quantum entanglement, 홀로그래피 원리 등 지난 100여 년 동안 물리학이 걸어온 길을 따라 걸으며 독자들을 이끈다.

누구나 알지만 아무도 모르는 존재, 블랙홀

블랙홀은 과거 한때 은하수의 중심에 존재했던 가장 큰 별이 남긴 흔적이다. 이것은 물질이 중력으로 뭉치다가 정상적으로 존재할 수 있는 공간이 더 이상 없을 때 자연적으로 만들어진다. 물리법칙은 블랙홀의 존재를 증명하고 있지만, 구체적인 특성은 여전히 상당 부분 미지로 남아 있다. 지금도 물리학자들은 기존의 법칙으로는 알 수 없는 것을 알아내기 위해 고군분투하는 중이다. 블랙홀은 중력법칙, 양자역학, 열역학이 평화롭게 공존할 수 없는 시공간에 존재한다. 그래서 과거의 물리학자들은 “블랙홀의 생성을 막는 어떤 요인이 분명히 있을 것”이라며 블랙홀의 존재를 부정했다. 심지어 1939년에 아인슈타인조차 “블랙홀은 현실 세계에 존재하지 않는다”고 할 정도였다. 이후 수브라마니안 찬드라세카르, 로버트 오펜하이머, 존 아치볼드 휠러, 로저 펜로즈 등 여러 학자에 의해 블랙홀은 “있어서는 안 될 우주 괴물”이 아니라 “우주가 낳은 필연적 결과물”로 인정받게 된다.

우리 우주가 양자컴퓨터 속 세상이라는 생각

1974년 스티븐 호킹이 블랙홀 복사이론(호킹 복사)을 발표하면서, 블랙홀은 중력뿐 아니라 양자역학의 무대에도 등장하게 되었다. 블랙홀은 양자역학과 중력을 결합한 이론을 검증하는 최적의 모델로 떠올랐다. 이후 중력과 양자이론 사이의 관계가 밝혀지기 시작하면서 블랙홀 연구는 새로운 전기를 맞이했다. 아르헨티나의 물리학자 후안 말다세나가 “반-드지터 공간에서 정의된 중력이론은 그 경계면에서 정의된 양자이론과 동일하다”는 홀로그래피 원리를 발표함으로써, 중력이론과 양자이론의 이중적 관계가 드러났다. 저자는 여기에 ‘양자적 얽힘’을 도입하여 “중력과 양자이론이 얽힘을 통해 연결되었을지 모른다”는 추측으로까지 나아간다. 이러한 주장이 신뢰가 가는 이유는 번역자 박병철의 말에서 찾을 수 있다. 참고문헌을 들이밀며 슬쩍 발을 빼는 여느 교양물리학 책과 달리, “콕스는 자신이 직접 노를 저으며 기어이 독자들을 강 건너편으로 데려다”준다. 디테일하면서 현장감이 살아 있는 논조로, 콕스는 시간과 공간의 본질이 양자비트의 거대한 네트워크일 수도 있다는, 우리가 거대한 양자컴퓨터 속에 살고 있을지도 모른다는 가능성을 제시한다. 100년간 최고의 물리학자들은 블랙홀이라는 웅장하고 신비로운 존재를 좇다가 매혹적인 세계를 발견했고, 그 결과는 예외 없이 우리에게 이득을 안겨주었다. 무궁무진한 블랙홀 연구가 가져올 앞날을 또 한 번 기대해본다.