스티븐 호킹의 블랙홀 역설에 대하여- 파비오 파쿠치(Fabio Pacucci)

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오늘날, 온 우주에서 가장 위대한 역설 중 하나가 현대 과학의 비밀을 파헤치려 합니다. 바로 블랙홀 정보의 역설이죠. 우주에 존재하는 모든 사물은 독특한 양자적 특성을 가진 입자들로 구성되어 있고, 어떤 사물이 파괴되더라도 그것의 양자 정보는 영구적으로 사라지지 않습니다. 그렇다면 어떤 사물이 블랙홀로 빨려들어갈 때 그 사물의 정보는 어떻게 될까요? 파비오 파쿠치와 알아봅시다.

강연 : 파비오 파쿠치(Fabio Pacucci)
제작 : 아트레이크 스튜디오(Artrake Studio)

과학자들은 미지의 경계를 탐구합니다.

새로운 지식의 조각을 찾아
진리로 향하는 길을 열죠.

이때 불확실성이 높으면서도
새로운 발견의 가능성을 주는 것이

바로 역설입니다.

역사를 통틀어,

역설들은 우리가 아는
모든 사실의 기반을 뒤흔들었고

우리가 알고 있는 세계를
바꿔 놓기도 했습니다.

오늘날 온 우주에서
가장 위대한 역설 중 하나가

일반 상대성이론과 양자역학 분야의
비밀을 푸는 데 도전하고 있습니다.

바로 블랙홀 정보의 역설입니다.

이 역설을 이해하기 위해서는

우선 '정보'를 정의할
필요가 있습니다.

일반적으로 우리가 말하는 정보는
맨 눈으로도 볼 수 있는 것입니다.

예를 들자면

사과에 대해 알 수 있는 정보는
빨갛고, 둥글고, 매끈하다는 것이죠.

하지만 물리학자들은
양자 정보에 더 큰 관심을 가집니다.

사과를 구성하는 모든 입자들의
양자적 특성을 말하며

위치, 속도, 회전 같은 정보입니다.

우주에 있는 모든 사물은

독특한 양자 특성을 가진 입자들로
구성되어 있습니다.

이 개념이 가장 잘 드러나는
물리학의 주요 법칙이 있는데요.

우주에서 양자 정보의 총량은
반드시 보존되어야 한다는 것입니다.

만약 어떤 사물의 형태가
알아볼 수 없을 만큼 파괴되더라도

그 양자 정보가 영구적으로
삭제되는 것은 아닙니다.

그리고 이론상으로는,
그 양자 정보를 알고 있다면

입자 구성을 통해
사물을 다시 만들 수 있습니다.

정보의 보존은 단순한
무작위의 규칙이 아니라

현대 과학 대부분의 기반이 되는
수학적 필요성입니다.

하지만 블랙홀에 관해서는
이러한 지식의 기반도 흔들립니다.

사과 한 알이 블랙홀에 들어가게 되면

사과는 마치 우주를 떠나고

그 속의 모든 양자 정보는
영영 사라진 것처럼 보입니다.

그러나 이러한 상황이
물리 법칙을 깨뜨리는 건 아닙니다.

사과의 정보는 눈 앞에서 사라지지만

블랙홀의 알 수 없는 공간 속에서
여전히 존재하고 있을 수 있습니다.

반대로 몇몇 이론들은

이 정보가 블랙홀 안으로
들어갈 수조차 없다고 주장합니다.

바깥에서 보면 마치 사과의 양자 정보가

사건의 지평선이라는 블랙홀의 경계에
암호화되어 있는 것처럼 보입니다.

블랙홀의 질량이 증가할수록

사건의 지평선 표면 또한 증가합니다.

그러므로 블랙홀은 물체를 집어삼킬 때

물체의 양자 정보를 보존할 수
있을 만큼 커질 수 있다는 것입니다.

하지만 정보가 블랙홀 내부에 보존되든
표면 위에 보존되든 간에

물리 법칙은 변하지 않습니다.

호킹 복사 이론이
나오기 전까지는 그렇죠.

1974년에 스티븐 호킹이 발견한 이 현상은

블랙홀들이 점차
증발하고 있음을 보여줍니다.

엄청나게 긴 시간에 걸쳐서

블랙홀들은 사건의 지평선에서
입자를 내뿜으면서 질량을 잃습니다.

비판적으로 보면 증발하는 입자들은

블랙홀이 암호화하는 정보와 무관하고

블랙홀과 그 속의 모든 양자 정보가

완전히 삭제될 수 있는 것처럼 보입니다.

양자 정보는 정말로 사라진 것일까요?

그게 아니라면, 어디로 간 걸까요?

이 증발 과정은 굉장히
오랜 시간이 걸리긴하지만,

물리학에서 발생하는 질문들이
훨씬 더 시급합니다.

정보가 정말로 사라지는 것이라면

우리는 가장 근본적인 과학적 기준의
일부를 수정해야 할 것입니다.

그러나 다행히도

과학에서의 모든 역설은
새로운 발견을 위한 기회입니다.

연구자들은 이러한
정보 역설에 대한 해답을 찾기 위해

다양한 연구를 하고 있습니다.

몇몇 이론에서는

블랙홀에서 나오는 방사 안에
정보가 암호화되어 있다고 하지만

아직 이해하기 힘든 부분도 있죠.

또 몇몇은 이 역설이
일반 상대성 이론과 양자장 이론의

상호작용을 잘못 이해하고
있다고 주장합니다.

각각의 두 이론은

가장 크고, 가장 작은
물리 현상들을 묘사하고 있으며,

서로 연관 짓기는 굉장히 어렵습니다.

몇몇 연구자들은 이 문제와
다른 많은 역설에 대한 해결책이

"만물 통일 이론"을 통해
자연스럽게 나올 것이라 주장합니다.

그러나 이 역설을 탐구하면서 나온
가장 혼란스러운 이론은

바로 '홀로그래픽 원리'일 것입니다.

2차원의 사건의 지평선 표면에
양자 정보가 저장된다는 개념을 확장하여

이 원리에서는

관측 가능한 우주의 경계도

3차원 사물에 대한 정보가 암호화된
2차원의 표면이라고 주장합니다.

만약 이것이 사실이라면,
우리가 알고 있는 현실은

단지 그 정보를 홀로그램처럼
투영한 것일 가능성이 있습니다.

이것이 증명된다면 이러한 이론들은

현대의 우주 모델 연구와 함께
새롭게 탐구될 영역이 될 겁니다.

물론 현대의 모델들도
잘못됐을 가능성은 있습니다.

하지만 이 역설은 우리로 하여금

미지의 세계로 한 걸음 더 나아가도록
도움을 주었답니다.