스티븐 호킹: 우주를 해석한 천재의 삶

스티븐 호킹은 영국의 이론물리학자로 블랙홀과 우주론에 대한 연구로 유명합니다. 그는 호킹 복사라는 블랙홀 복사 현상을 이론적으로 예측하였으며, 그의 저서 "시간의 역사"는 세계 베스트셀러가 되었습니다. 루게릭병 진단에도 불구하고 그는 과학적 발견과 대중과학 저술을 통해 널리 존경받았습니다.

스티븐 호킹을 주제로 한 영화 "사랑에 대한 모든 것"

 

스티븐 호킹의 삶 요약

1942년에 영국 옥스퍼드에서 태어난 호킹은 어릴 때부터 천재성을 보여, 동료 사이에서 "아인슈타인"이라는 별명을 얻었습니다. 초기 학창 시절은 평범한 학업 성적이었으며, 옥스퍼드 대학교에서 우등으로 졸업한 후 코스모로지를 연구하기 위해 케임브리지 대학교로 옮기게 됩니다. 그는 21세에 근위축성 측삭경화증(ALS) 진단을 받으면서 극적으로 변했습니다. 이 질병은 수십 년에 걸쳐 점차 그를 마비시켰으나 연구를 계속하고 박사 학위를 마치고, 우주의 특이점과 블랙홀에 관한 연구에 집중하였습니다. 1965년 제인 와일드와 결혼하여 세 명의 자녀를 두었고, ALS와의 싸움과 과학 연구는 그에게 도전이자 즐거움이었습니다. 그의 과학적 업적, 개인적인 시련, 성공을 보여주는 영화인  "The Theory of Everything"은 그의 인생을 감동적으로 그렸습니다. 호킹은 우주와 우리가 그 안에서 차지하는 위치에 대한 질문을 다루기를 좋아 하였으며, 신의 존재, 시간 여행의 가능성, 인류의 미래에 대한 고민을 과학계와 일반 대중과 더불어 강연과 저술로 교류하였습니다. 그의 저서인 "시간의 역사(A Brief History of Time)"는 복잡한 코스모로지 개념을 비전문가도 이해할 수 있는 언어로 풀어내 전 세계적으로 수백만 부가 팔렸습니다. 이 책의 성공은 그를 가장 영향력 있는 과학자 중 하나로 만들었습니다. 신체적 제한에도 불구하고, 호킹은 세계를 여행하며 우주의 신비에 대해 이야기하고, 우주 탐사의 중요성과 우리 우주 기원을 이해할 필요성을 옹호하다가 2018년 사망하였습니다.

 

호킹 복사(Hawking Radiation)

스티븐 호킹이 1974년에 처음으로 예측한 이론으로 블랙홀 주변에서 발생하는 양자역학적 현상입니다. 블랙홀이 완전히 검은(black) 것이 아니라 실제로는 방사선을 방출할 수 있다는 뜻입니다. 기본 개념은 양자장론과 일반 상대성 이론의 결합에서 시작되며 블랙홀의 사건 지평선 근처에서 양자 요동(quantum fluctuation)이 생겨 가상 입자 쌍이 만들어집니다. 불확정성 원리의 공식 ΔEΔt ≈ ℏ​ /2에 따르면 짧은 시간들 동안 가상 입자인 입자와 반입자 쌍의 생성이 가능하다. 아래 그림은 블랙홀의 사건 지평선에서 일어나는 이러한 현상을 보여 준다.

 

생성된 가상 입자 쌍인 입자와 반입자는 위의 그림처럼 두 가지 운명 중 하나를 맞이하게 됩니다.

• 입자 흡수와 방출: 가상 입자 중 하나가 블랙홀의 사건 지평선 안으로 빨려 들어가면(일반적으로 반입자), 다른 하나 (입자)는 사건 지평선 바깥으로 탈출하여 실제 입자가 될 수 있는데 탈출하는 입자가 호킹 복사입니다.
• 에너지 밸런스: 이 과정에서 블랙홀로 떨어진 반입자는 블랙홀 내부의 입자와 충돌하여 쌍소멸하여 에너지에 해당하는 질량을 잃게 됩니다. 이때 양자역학의 에너지 보존 법칙에 따라 흡수하는 질량보다 잃는 질량이 많은 블랙홀은 결국 증발되어 사라질 것으로 예상됩니다.

호킹 복사는 블랙홀 정보 역설과 블랙홀 증발이라는 두 가지의 중요한 논점을 제공합니다.

• 블랙홀 정보 역설: 블랙홀에 흡수된 모든 정보가 영원히 사라진다는 가정과 양자역학의 정보 보존 법칙 사이에는 모순이 있습니다. 호킹 복사가 정보를 외부로 전달할 수 있는 메커니즘에 대하여 아직 연구되고 있습니다. 이때 정보란 양자역학의 맥락에서 특정 물리 시스템의 상태를 완전하게 기술하는 데이터를 말하며 일반적으로 입자의 위치, 운동량, 스핀, 궤도, 극성, 얽힘, 엔트로피 등의 변수 등을 의미합니다.
• 블랙홀 증발: 호킹 복사는 블랙홀이 결국 증발할 수 있다는 이론적 근거를 제시하는데 질량이 충분히 소진되면 블랙홀은 더 이상 존재할 수 없게 된다는 주장입니다. 하지만  태양 질량의 블랙홀 증발에는 약 10⁶⁷년이 걸린다. 우주의 연령을 훨씬 능가하는 수치지만  어쨌든 블랙홀도 죽음을 피할 수는 없습니다.

호킹 복사는 매우 약한 현상으로 현재 기술로는 직접 탐지하기 어렵고 이론적 연구와 간접적 증거를 통해 호킹 복사의 존재 가능성을 탐구하려고 합니다.

 

블랙홀 정보 역설(Black Hole Information Paradox)

양자역학에서 모든 물리적 상호작용은 아래의 정보의 교환 형태로 봅니다.

• 양자 상태: 입자의 양자 상태는 파동 함수나 상태 벡터로 표현되며, 입자의 모든 가능한 상태의 중첩을 나타냅니다. 전자의 위치나 스핀 상태 등입니다.
• 얽힘 정보: 입자들 사이의 얽힘은 각 입자가 다른 입자와 상호 의존적인 상태에 있음을 말하며, 이 정보는 물리 시스템의 복잡성과 양자 역학적 성질을 결정하는 요소입니다.
• 엔트로피와 정보: 물리 시스템의 엔트로피는 그 시스템의 무질서도를 측정하는 척도로서 정보의 손실 또는 불확실성과 직접적인 관련이 있습니다.

블랙홀 정보 역설은 블랙홀에 흡수된 물질이 담고 있는 정보가 블랙홀이 증발할 때 사라지는지 여부의 문제로 정보가 보존된다면 양자역학의 원칙이 유지되지만, 정보가 사라진다면 우리가 적용하는 물리 법칙의 중대한 위반입니다. 호킹 복사는 이 정보가 블랙홀 바깥으로 방출될 수 있다는 가능성을 제시했지만, 이 과정에서 원래 정보가 어떻게 처리되고 변환되는지는 알지 못합니다. 블랙홀에서의 정보 문제는 현대 물리학에서 중요한 미해결 문제이며 양자역학과 일반상대성이론의 통합을 위한 새로운 이론적 접근이 필요함을 시사합니다.

 

블랙홀 열역학

블랙홀 열역학은 블랙홀의 열역학적 성질인 블랙홀의 온도, 엔트로피, 에너지 방출 등의 개념을 포함하며, 블랙홀이 단순히 모든 것을 흡수하는 천체에서 열역학 법칙을 따르는 물리적 대상이 되었습니다. 블랙홀 열역학의 기본 법칙들은 다음과 같습니다.

• 제로 법칙 (Zeroth Law): 블랙홀의 사건 지평선에서 표면 중력이 일정하다는 것으로 전통적 열역학에서의 제로 법칙과 유사하며 열적 평형 상태에서 체계의 온도가 일정하다는 것으로 유추할 수 있습니다. 블랙홀 표면 중력은 블랙홀의 온도를 결정짓는 변수입니다.
• 제일 법칙 (First Law): 이 법칙은 에너지 보존 법칙과 관련이 있으며 블 랙홀의 질량(에너지), 표면 중력(온도), 사건 지평선의 면적(엔트로피) 간의 관계로 정의됩니다. 블랙홀의 에너지 변화는 이러한 양들의 변화이며 블랙홀의 에너지 변화량 dM이 표면 중력 κ, 엔트로피 변화 dA, 블랙홀의 전하 dQ, 각운동량 dJ에 의존하며 Ω는 블랙홀의 각속도, Φ는 전기 퍼텐셜입니다.

• 제이 법칙 (Second Law): 블랙홀의 엔트로피는 절대 감소하지 않는다는 법칙으로 블랙홀이 물질을 흡수할 때마다 사건 지평선의 면적이 증가함으로써 블랙홀의 엔트로피가 증가합니다. 이 법칙은 열역학의 제 2법칙, 즉 엔트로피 증가 법칙의 유추입니다. 이와 관련하여 호킹의 영역 정리(Hawking's area theorem)는 블랙홀 열역학의 제이 법칙의 엔트로피와 연관되며 블랙홀의 사건 지평선 면적이 시간이 지남에 따라 감소하지 않는다는 것을 수학적으로 증명합니다. 이 정리에 따르면, 고립된 블랙홀(외부 물질의 영향을 받지 않고 자체 중력에 의해 결정되는 블랙홀)에서는 사건 지평선의 총 면적은 절대 감소하지 않으며, 물리적으로 블랙홀이 물질을 흡수하거나 다른 블랙홀과 합쳐질 때 사건 지평선의 면적이 증가하거나 그대로 유지됨을 의미합니다. 이에 대한 연구로  물리학자들은 중력파 관측을 사용하여 검증 작업이 진행 중이다.
• 제삼 법칙 (Third Law): 이 법칙은 블랙홀이 절대 영도에 도달할 수 없다는 것을 명시합니다. 블랙홀의 0K는 사건 지평선의 면적이 0이 되는 상태를 의미합니다. 물리적으로 불가능한 상태로 일반 열역학의 제3 법칙과 유사하게 0K 도달이 불가능하다는 것입니다.

호킹 복사에 따르면, 블랙홀이 완전한 흑체가 아니라 특정 온도를 가지며, 블랙홀에서 방사선을 방출한다는 것을 유추합니다. 또한, 호킹 복사로 블랙홀은 질량과 에너지를 잃는다면 결국 블랙홀 증발이 가능합니다. 호킹 복사의 존재는 블랙홀 온도 T를 다음과 같이 정의합니다. 여기서 ℏ는 디랙 상수, c는 빛의 속도, G는 중력 상수, M은 블랙홀의 질량, kB​는 볼츠만 상수입니다.