스티븐 호킹 박사가 올해 3월에 작고하기 불과 며칠 전에
완성된 블랙홀 엔트로피와 soft hair 에 관한 논문이 발표되었다.
올해 3월에 타계한 물리학자 스티븐 호킹 박사가
"information paradox" (정보의 파라독스)에 관해서 쓴 마지막 논문이
호킹박사와 오랫동안 캠브릿지 대학과 하바드 대학 대학교에서
함께 연구했던 동료 물리학자들에 의해서 온라인으로 발표되었다.
캠브릿지 대학교에서 이론 물리학 교수이며
호킹 박사와 함께 공동으로 쓴 'Black Hole Entropy and Soft Hair'
논문을 쓴 말컴 페리(Malcolm Perry)교수가
"정보의 파라독스는 스티븐 호킹 박사가 40년 이상
그의 연구 주제의 핵심이었고,
현재까지 우리는 호킹 박사의 이 아이디어를 입증할 수 있는
테크닉이 없다."고 밝혔다.
이 수수께끼같은 주제의 시초는 아인슈타인으로 거슬러 올라간다.
아인슈타인 박사 가 1915년에 상대성 이론을 발표한 후,
아인슈타인의 이론은 블랙홀이 존재한다는 것을 예견되었고,
블랙홀은 질량과 전하(charge)와 회전(spin)
오로지 세가지로 정의를 내릴 수가 있게 되었다.
상대성 원리가 발표된지 60년 후에 호킹 박사는
블랙홀에도 온도가 존재한다는 것을 제시했다.
뜨거운 물체는 주위에 열기를 전달한만큼 식어가듯이
블랙홀의 최후도 점점 차게 소멸할 것이라고 예견했다.
하지만 이 이론에 한가지 문제가 대두되었다.
양자물리학적으로 보면 인포메이션(정보)는 영원 불변하다.
그렇다면 물체가 블랙홀 안으로 떨어지면서
물체가 가진 모든 정보는 어떻게 될까?
한 예로 달을 이루고 있는 모든 원자들의 실체는 어떻게 될까? 하는
의문이 제기되었다.
페리 교수는 "물체를 블랙홀 안으로 던지면,
마치 그 물체가 사라지는 것처럼 보이는데,
만약에 블랙홀 자체가 사라진다 하더라도
그 물체가 소유한 정보를 다시 복구할 수 있을까? 라는
문제에 봉착하게 된다." 라고 말했다.
켐브릿지 대학교의 사샤 하코 박사와 하바드 대학교의 앤드류 스트로밍거 박사를
포함해서 다수의 물리학자들은
블랙홀의 엔트로피의 정보는 막강한 중력으로
빛이 탈출할 수 없는 포인트가 위치해 있는
블랙홀의 이벤트 수평선(Black Hole's event horizon)을 둘러 싸고 있는
광자(Photon)에 의해서 기록으로 남겨질 가능성이 있다고 발표하면서,
이 광자를 '부드러운 머리카락' (soft hair)라고 명명한 바 있다.
"이번에 발표된 호킹박사의 논문에서 이 soft hair 가 블랙홀의 엔트로피를
보여줄 수 있다는 것을 증명할 수 있게 되어서 중요하다."
호킹박사의 엔트로피가 블랙홀 안으로 빨려 들어간 모든 물체에 대해서
다 설명을 할 수는 없지만, 적어도 옳은 방향을 제시를 해 주어서
파라독스를 설명해 줄 수 있는 첫 단추를 제대로 꿸 수 있어서
앞으로 정보의 파라독스를 제대로 설명할 수 있는 가능성을 보여 주었다.
호킹 박사가 타계하기 며칠 전에도 하바드 대학교에서 스트로밍거 박사와 같이
이 주제의 논문을 쓰고 있던 페리 박사는 "호킹 박사가 얼마나 죽음에 임박해 있는지
모르는 상태에서 마지막으로 업데이트된 결과를 호킹박사에게 전화를 걸어서
스피커로 커다란 소리로 알려주자, 호킹 박사는 그저 환하게 크게 미소를 지었다.
그는 이미 최종결과를 알고 있었다." 라고 전했다.
페리 박사와 동료 물리학자들은 아직 어떤 방식으로 엔트로피가 실제로
soft hair에 기록이 되는지, 그리고 그 기록이 블랙홀이 소멸될 때에
어떻게 다시 되돌아 오는지에 대해서 밝히는 숙제가 남았다.
페리 박사는 "우리가 어느 물체를 던지면, 그 물체의 모든 정보가
블랙홀의 수평선에 기록되는가? 바로 이것이 정보의 파라독스를 밝히는데
관점입니다. 99%의 정보가 기록이 되었다 하더라도 정보의 파라독스 문제를
해결했다고 생각하지 않습니다. 이제 예전보다 풀어야 할 문제점이 줄어들었지만,
여전히 이해되지 않은 이슈들이 남았다.
이 논문은 블랙홀의 엔트로피를 이해하는데
이벤트 수평선(Black Hole's event horizon)의 대칭을 토대로 해서
몇가지의 중요한 가정을 내린 후에 다음 단계로 올라 서면
그 가정들이 타당하다는 것을 증명할 수 있을 것이다." 라고 설명했다.
블랙홀때문에 별이 헤체되는 모습을 묘사한 그림
Photograph: Nasa's Goddard Space Flight Center
아인슈타인이 몸담았던 프린세튼 대학교의 후안 말다세나 박사는
"호킹 박사는 블랙홀에 온도가 존재한다는 것을 밝혀 냈다.
보편적으로 우리는 온도가 존재하려면 시스템의 구성원들의
움직임이 있어야 하며, 움직임의 속도가 빠를수록 온도가 높아진다.
온도를 가진 블랙홀 시스템의 구성원이 무엇인지,
그 구성원들이 블랙홀의 이벤트 수평선과 어떤 관계가 있는지 확실치 않다.
이 특별한 대칭을 가진 개중의 시스템에서 온도를 이 대칭으로 밝혀낼 수 있다.
이 호킹박사의 마지막 논문은 블랙홀 수평선 근처에
이 특별한 대칭들(symmetries)중에 하나의 대칭이 존재한다는 것을
밝혀낸 획기적인 논문이다."라고 밝혔다.
