호킹의 블랙홀

◈ 2016년 한국출판문화산업진흥원 우수출판콘텐츠 제작지원사업 선정작 ◈

아주 오래전부터 사람들은 길을 잃지 않기 위해 ‘천문’을 기록해 왔다. 천문의 원칙에 일대 변화를 일으킨 사건이 천동설로부터 지동설로의 이동이었다. 지동설이 정착한 이후 관측기구가 발달함에 따라 많은 사실들이 축적되었다. 그리고 인간이 생각하는 천상세계는 태양계를 넘어 우리은하, 외계 은하, 다중우주로까지 확장되었다. 한번쯤은 광막한 우주의 이미지를 공상하면서 그 끝은 어디일까 생각하다가 거대한 심연에 갇히는 경험을 해보았을지 모르겠다. 인식의 지평이 확장되었음에도 우리 앞에 놓인 우주는 더욱 불가해한 이면을 드러내는 듯도 하다. 우주는 정말 빅뱅에서 시작했을까, 빅뱅은 무엇인가, 빅뱅의 찰나 그리고 그후 137억 년 우주의 역사 동안 무슨 일들이 벌어졌나, 우주는 나이를 먹고 있는가, 그렇다면 우주는 어떻게 끝날 것인가. 우주의 9할 이상은 여전히 신비의 장막에 가려 있지만, 장막이 걷힌 1할이 채 되지 않는 우주 안에도 경이로움은 넘쳐난다. 이 책은 그 경이로운 세계로 들어갈 안내자로 호킹을 선택했다. 반세기 이상 우주론 연구에 이바지한 그만큼 우주와 우리 인간에 대해 다채로운 이야기를 들려줄 사람이 있을까. 시리즈의 기간도서들과 마찬가지로 과학자의 일생을 한 편의 이야기로 풀어가는 가운데 주인공의 학문적 성장 과정과 업적을 녹여낸다. 체계적이고 종합적인 이해를 돕기 위해 당대에 주류를 형성했던 이론과 더 이전의 역사적 사실들을 소개하고, 앞서 언급한 기초적인 궁금증에 답하는 배경지식도 꼼꼼하게 담았다.


갈릴레이, 뉴턴, 아인슈타인, 호킹
스티븐 호킹은 우주론(cosmology)을 연구하는 과학자다. 1942년생, 20세에 ALS(근위축성측삭경화증) 진단, 2~3년 시한부 판정을 받았지만, 2016년 현재 생존하는 최고의 우주론 학자이다. 우주론은 우주의 기원과 구조, 진화와 그 끝을 연구하는 이론물리학의 한 분야다. 현대 우주론은 아인슈타인의 일반상대성이론으로부터 시작한다. 뉴턴의 만유인력법칙도 중력을 다루지만 우주 공간과 천제에는 적용할 수 없기 때문이다. 호킹이 옥스퍼드대학 졸업을 앞두고 대학원 전공을 고민하던 무렵, 우주론은 일반상대성이론을 다루는 최신 연구분야였다. 호킹의 타고난 자질과 적성도 실험이나 관측보다는 이론에 적합했다. 거기다 갈릴레이 사후 꼭 300년이 되던 날 태어났다는 사실은 그에게 모종의 길을 계시하는 것 같았다.


별의 죽음에서 빅뱅을 보다
3장과 4장에서는 이론학자로서 호킹의 출발에 소중한 인연이 된 인물과 일화를 다룬다. 대학원 지도교수 데니스 시아머와 반려자가 되는 제인 와일드, 버크벡 칼리지의 로저 펜로즈가 그런 인연이었다. 시아머 교수는 정상우주론의 기수인 프레드 호일과 같은 학문적 입장에 있었지만, 호전적이고 배타적인 호일에 비해 열려 있었다. 또한, 케임브리지대학은 견해차가 있을지라도 연구자들이 언제든 자유롭게 모여 ‘잡담’을 나누거나 토론을 할 수 있는 건물 구조와 학풍을 갖추고 있었다. 호킹이 로저 펜로즈를 만나게 된 것은 이러한 여건의 뒷받침 덕분이었다. 펜로즈는 당시 특이점 연구를 주도하던 이론학자였다. 특이점(singularity)은 아인슈타인의 중력장 방정식을 풀 때 부피가 0, 밀도는 무한대가 되는, 말 그대로 특이한 점이다. 중력이 아주 큰 별은 자체 질량을 모두 소진하고 급격히 수축하다가 붕괴하여 ‘블랙홀’이 되기도 한다. 별의 죽음, 즉 블랙홀 특이점은 호킹에게 ‘빅뱅 특이점’이라는 놀라운 아이디어를 제공한다.


우주물리학과 입자물리학은 통합될 수 있을까
빅뱅 특이점에서 시작한 호킹이 빅뱅과 블랙홀의 대가로 인정받는 데는 오랜 시간이 걸리지 않았다. 빅뱅을 연구하기 위해서는 일반상대성이론과 양자역학의 통합이 반드시 필요하다. 우주는 빅뱅 이후 매우 짧은 시간 동안 기본입자를 모두 생성했다. 입자와 힘만이 존재하던 그때를 다루자면 양자역학을 적용해야 하는 것이다. 양자역학이 현재도 이론적으로 미완성이듯, 우주론이 지향하는 양자중력이론 혹은 모든 것의 이론(Theory of Everything, TOE)은 여전히 현재진행형이다. 아주 작은 크기의 입자를 다루는 물리학과 대단히 큰 천체를 다루는 물리학 양 진영의 공통 숙제인 셈이다. 호킹을 비롯한 이론물리학자들은 바로 그 “최종이론의 꿈”을 포기하지 않았다. 거기에 도달하기 전까지 호킹의 우주론이 제시하는 우주의 이미지에 관해서는 주요 개념을 중심으로 5장부터 7장에서 다룬다.


호킹의 우주, 기원 없는 기원을 이야기하다

중력에 짓눌려 손가락 하나 꼼짝 못하고 살면서도
누구보다 중력을 잘 이해하는 사람, 호킹!
그는 어째서 불편한 몸을 이끌고 지구를 벗어나려 했던 것일까?

휠체어가 없으면 한 걸음도 걷지 못하면서
머릿속에서는 광활한 우주를 넘나드는 사람.
그가 알아낸 우주의 시작과 끝은 어떤 것일까? (본문 15쪽에서)

책의 서두를 여는 저자의 질문은 우리의 질문이기도 하다. 그것은 책의 후반부에 이르러 우리들 중 한 사람이었던 폴 고갱의 그림과 마주한다. 〈우리는 어디에서 왔으며, 무엇이고, 어디로 가는가〉. 호킹은 우주의 탄생(빅뱅) 이전을 말하지 못하는 팽창우주론의 한계에 도전하면서 형이상학적 논리(이를테면 종교)가 필요 없는 우주를 향해 나아갔다. 현대 우주론은 인간이 우주의 먼지에 지나지 않는다는 것을 알려주었다. 나아가 호킹은 그런 보잘것없는 인간이 궁극에 의탁해야만 할 것 같은 안식처(초월자)까지 부정한다. 우발적 조건들의 무수한 중첩의 결과로 그저 존재할 뿐인 것들로 가득한 우주. 우리 각자가 그 앞에서 어떤 표정을 지을지 자못 궁금해진다.

책은 별도 지면을 할애하여 2016년 2월 전 세계에 타전되었던 중력파 검출 소식도 전한다.(198~199쪽) 왜냐하면 중력파는 아인슈타인의 일반상대성이론이 예측한 현상이지만, 특히 이번에 검출된 중력파는 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 것이어서 블랙홀의 대가인 호킹도 기쁜 소회를 밝혔기 때문이다. 중력파 검출은 우주론에도 새로운 빛을 던져준 것이다. 3년 시한부 선고를 받았던 호킹의 인생과 연구는 인간 승리이자 기적 그 자체다. 그럼에도 호킹을 읽게 된 독자라면 그를 대신해 이렇게 기원하고 싶어질지도 모른다. 그에게 이론을 더욱 발전시킬 건강과 시간이 허락되고, 그의 이론이 관측으로도 입증되어 생전에 그에게 노벨물리학상이 주어지기를.