블랙홀 탈출구: 또 다른 우주로 이어질까?

스티븐 호킹의 대담한 제안과 우리가 여전히 이에 대해 이야기하는 이유

스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 블랙홀이 열복사를 방출한다고 처음 발표했을 때, 그는 한 세기 동안 이어져 온 가설을 뒤집었습니다. 한때 모든 정보를 영원히 숨기는 것으로 생각되었던 천체가 서서히 증발할 수 있다는 것이었습니다. 이러한 깨달음은 현대의 정보 역설을 만들어냈습니다. 만약 호킹 복사가 진정으로 무작위적이라면, 블랙홀로 떨어진 모든 것의 양자적 세부 사항은 되찾을 수 없을 정도로 소실될 것이고 양자역학의 법칙은 무너질 것입니다. 지난 수십 년 동안 이 역설은 홀로그래피, 상보성, 얽힘 계산, 그리고 가장 최근에는 정보를 블랙홀 밖으로 운반하는 얽힘 "섬(islands)" 개념에 이르기까지 이론 물리학의 가장 활발한 발전을 이끄는 엔진 역할을 해왔습니다.

역설이 중요한 이유

이 갈등은 설명하기는 간단하지만 그 결과는 심오합니다. 양자 이론은 물리적 과정이 유니터리(unitary)해야 한다고 주장합니다. 즉, 원칙적으로 현재를 알면 과거를 재구성할 수 있어야 합니다. 하지만 호킹의 준고전적 계산에 따른 일반 상대성 이론은 블랙홀에 대해 그 반대의 결과를 보여주는 듯했습니다. 만약 정보가 실제로 소실된다면, 통계역학이나 양자 이론 그 자체와 같은 물리학의 근간이 위태로워질 것입니다. 그 결과 정보는 반드시 파괴되어야 한다는 주장과 정보가 미묘한 상관관계나 사건의 지평선에 암호화되어 있다는 주장 등 서로 다른 관점을 가진 옹호자들 사이에 수십 년에 걸친 지적 투쟁이 이어졌습니다.

역설에서 실무적 합의로: 정보는 빠져나온다

지난 10년 동안 두 가지 흐름이 많은 이론가들을 실무적인 합의로 이끌었습니다. 첫째는 양자 중력 효과가 아무리 작더라도 호킹의 원래 결론을 수정하여 정보가 소실되지 않게 할 수 있다는 것이며, 둘째는 홀로그래피적 관점이 그러한 일이 어떻게 일어날 수 있는지에 대한 확고한 틀을 제공한다는 것입니다. 특정 중력 시스템과 저차원 양자장론 사이의 정확한 등가성인 홀로그래피 대응(holographic correspondence) 개념을 사용한 계산에 따르면, 증발하는 블랙홀의 엔트로피는 유니터리 진화에서 기대되는 페이지 곡선(Page curve)을 따릅니다. 복사의 양자 얽힘 구조를 조사하는 다른 접근 방식들은 내부 정보를 나가는 복사에 효과적으로 암호화하는 영역인 "섬"을 생성해 냅니다.

이러한 결과들은 블랙홀로 떨어진 정보가 파괴되지 않는다는 점에서 장부의 기록을 바꾸기에 중요합니다. 하지만 이 해답에는 큰 단서가 붙습니다. 정보는 일반적으로 거대한 공간에 퍼져 있으며 기하급수적으로 복잡한 방식으로 얽혀 있습니다. 따라서 복사로부터 떨어진 양자 시스템을 재구성하는 것은 실질적으로 불가능할 정도로 대단히 어려운 작업이 될 것입니다.

홀로그램, 상보성 그리고 실질적인 불가시성

레너드 서스킨드(Leonard Susskind)를 비롯한 학자들은 원칙적으로 정보가 소실되지 않으며 유니터리성이 보존되지만, 계산적으로는 접근이 불가능해진다는 점을 강조했습니다. 외부에서 정보를 재구성하려면 천문학적인 횟수의 연산이 필요하며, 이는 사실상 어떤 현실적인 실험에서도 정보를 회복할 수 없음을 의미합니다. 따라서 호킹의 원래 주장이 가졌던 철학적 날카로움은 무뎌졌습니다. 법칙은 그대로 유지되지만, 결정론은 원칙의 문제일 뿐만 아니라 실질적인 복잡성의 문제가 된 것입니다.

블랙홀이 물질을 다른 우주로 내뱉을 수 있을까?

떨어지는 물질이 다른 우주로 갈 수도 있다는 생각은 최근의 기술적 발전보다 더 오래되었습니다. 여기에는 몇 가지 형태가 있습니다. 하나는 블랙홀을 "아기 우주(baby-universe)"의 핵 생성 지점으로 보는 것입니다. 특정 양자 중력 시나리오에서 블랙홀 내부는 잘려 나가 우리 시공간에서 분리되어 팽창하는 영역이 될 수 있습니다. 또 다른 경로는 웜홀과 비자명한 위상수학(topology)을 통하는 것입니다. 양자 효과가 고전 일반 상대성 이론에서는 허용되지 않는 방식으로 지역들을 연결할 수도 있습니다.

호킹 자신도 사건의 지평선을 넘는 것 중 일부가 다른 곳, 아마도 별개의 우주에서 다시 나타날 수 있다고 추측했습니다. 하지만 이는 여전히 추측의 영역에 머물러 있습니다. 외부로 정보를 복구하는 현대적인 계산들이 거시적 물체를 온전하게 다른 우주로 실어 나르는 가시적인 물리적 터널을 암시하는 것은 아닙니다. 대신, 양자 상관관계와 시공간의 미묘함이 어떻게 내부 상태에 대한 정보를 나가는 복사에 암호화할 수 있는지를 보여줍니다. 인간이나 우주선에게 사건의 지평선에서의 기조력과 열평형화(thermalization)는 여전히 치명적입니다. 블랙홀을 통과해 살아남을 수 있느냐는 질문에 대한 실용적인 대답은 여전히 '아니오'입니다.

내부는 다음 개척지입니다

아마도 가장 완고한 미스터리는 증발하는 블랙홀 내부에서 실제로 어떤 일이 일어나는가 하는 점일 것입니다. 정보를 구제하는 새로운 계산들은 주로 사건의 지평선이나 그 바로 바깥쪽, 또는 정확한 홀로그래피 이중성을 적용할 수 있는 장난감 모델(toy models)에서 작동합니다. 이러한 계산들은 아직 내부 기하학 및 역학에 대해 상세하고 일반적으로 받아들여지는 그림을 제공하지 못합니다. 상보성과 호환되는 매끄러운 내부부터, 지평선에 있는 고에너지 양자의 격렬한 구역인 불벽(firewalls), 그리고 서로 다른 내부 구성이 비밀리에 시공간을 자르는 서로 다른 방식에서 본 동일한 상태라는 보다 이색적인 등가성에 이르기까지 다양한 추측이 존재합니다.

인플레이션, 다중우주 및 무한대와의 연결 고리

블랙홀 너머에 무엇이 있는가에 대한 질문은 더 넓은 우주론적 개념과 자연스럽게 연결됩니다. 우주 인플레이션과 영원한 인플레이션은 인과적으로 단절된 영역들의 풍경을 예측하며, 일부 해석에서 이들은 문자 그대로 "다른 우주"입니다. 물리학자들은 또한 영원한 인플레이션에 의해 생성된 다중우주(기하급수적으로 증식하는 거품 우주들의 집합)를 양자역학에서 발생하는 다세계와 비교하기도 했습니다. 기술적이지만 유용한 한 가지 지점은 이러한 그림에서 서로 다른 종류의 "무한대"가 나타난다는 것입니다. 인플레이션 다중우주는 기하급수적인 유형의 무한대를 향하는 경향이 있는 반면, 다세계 분기 구조는 조합론적이며 훨씬 더 큰 종류의 무한대일 수 있습니다.

이러한 무한대들을 화해시키는 것은 모든 가능성을 담은 양자역학적 다중우주가 더 큰 팽창하는 시공간 어딘가에서 물리적으로 구현될 수 있는지를 알려줍니다. 현재의 생각으로는 인플레이션이 과거-영원(past-eternal)이거나 인플레이션 영역이 공간적 범위에서 무한하게 태어나지 않는 한, 양자적 가능성의 모든 분기가 별개의 인플레이션 포켓으로 실현되는 것을 문자 그대로 발견하지는 못할 것임을 시사합니다. 이는 우주론과 양자 기초론을 가로지르는 깊고 열린 질문들이며, 블랙홀 물리학, 양자 중력, 우주론이 어떻게 동일한 개념적 매듭의 일부인지를 보여줍니다.

앞으로 중요한 것

연구자들에게 앞으로의 길은 기술적이고 구체적입니다. 내부를 탐구하고, 홀로그래피 사전을 정교화하며, 장난감 모델을 테스트하고, 중력 역학에 근사하는 영역까지 양자 시뮬레이션을 밀어붙이는 것입니다. 호기심 많은 대중에게 이 교훈은 더 미묘합니다. 블랙홀은 역설이 물리학에서 생산적인 힘이라는 것을 가르쳐 주었습니다. 겉으로 보이는 모순은 우리로 하여금 홀로그래피, 복잡성, 양자 극대 곡면(quantum extremal surfaces)과 같은 새로운 아이디어를 발명하게 만들며, 이러한 아이디어들은 종종 원래의 맥락을 훨씬 넘어서는 곳에서 응용 분야를 찾아내곤 합니다.

우리의 위치

출처

• Nature (스티븐 호킹의 1974년 블랙홀 복사에 관한 논문)
• Stanford Institute for Theoretical Physics (블랙홀 정보에 대한 연구 및 관점)
• Institute for Advanced Study (홀로그래피 및 양자 중력에 관한 작업)
• University of California, Berkeley (얽힘 섬 및 최근 엔트로피 계산)
• Event Horizon Telescope Collaboration (블랙홀 환경에 대한 관측 연구)
• University of Sussex (양자 중력 및 정보에 관한 리뷰 및 논평)