서선옥 한국과학기술원(카이스트) 물리학과 교수가 2년 연속 프런티어 과학상을 수상했다. 12일 카이스트에 따르면 서 교수의 공동 논문이 국제기초과학학회(ICBS)가 수여하는 ‘2026 프런티어 과학상’에 선정됐다. 지난해에 이어 2년 연속 수상이다. 프런티어 과학상은 수학·물리·정보과학 분야에서 최근 10년 이내 발표된 연구 가운데 학문적 독창성과 성과를 이룬 논문을 선정해 수여한다. 시상식은 8월 중국 베이징에서 열리는 ICBS 행사 기간 중 열린다. 과학상을 수상한 논문은 서 교수와 알렉세이 키타예프 캘리포니아공과대 교수가 2017년 발표한 ‘SYK(Sachdev-Ye-Kitaev) 모델의 소프트 모드와 대응하는 중력 이론’이다. SYK 모델은 복잡한 양자 다체계를 수학적으로 분석할 수 있고, 양자 카오스의 특성이 블랙홀과 유사해 블랙홀의 미시 구조를 이해하는 핵심 이론으로 주목받아 왔다. 논문은 SYK 모델이 낮은 에너지 상태에서 보이는 물리적 성질이 2차원 중력 이론과 정확히 연결된다는 사실을 밝혀냈다. 특히 블랙홀 내부에서 정보가 어떻게 저장되고 사라지는지를 설명하는 데 활용되는 기반을 마련했다는 평가를 받는다. 해당 논문은 블랙홀과 양자중력 연구의 이론적 토대를 제공해 관련 분야에서 많이 인용되는 논문 중 하나다. ICBS 측은 선정 통지문에서 “서 교수의 연구는 양자장론의 수학적 원리와 구조를 탐구하는 이론물리학을 연계한 ‘형식적 양자장론’ 분야에서 기여했다”며 “인류 지식의 경계를 확장하려는 연구자의 헌신은 과학계에 큰 영감을 주고 있다”고 밝혔다. 서 교수는 “연구는 양자 중력 이론과 중력이 없는 일반 양자 이론 사이의 ‘이중성’에 대한 질문에서 시작됐다”면서 “이를 기반으로 중력이 양자 시스템에서 환경과 정보를 주고받을 때 발현하는 물리현상임을 밝히는 후속 연구를 진행하고 있다”고 밝혔다.

오스트리아 국립과학아카데미 양자광학·양자정보학연구소, 빈대학 물리학부, 양자중력간섭(TURIS) 연구 플랫폼 공동연구팀은 금으로 만든 직경 2㎜의 작은 구 2개(사진)로 역대 가장 작은 중력장을 측정하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 3월 11일자에 실렸다. 연구팀은 질량 90㎎, 직경 2㎜의 금구와 진공상자 등을 이용해 정전기력, 공기 진동으로 인한 외부 간섭 등을 최소화한 뒤 순수한 중력 분리 실험을 했다. 그 결과 뉴턴의 고전물리학에서처럼 미세중력도 두 물체의 질량에 비례하고 물체 간 거리의 제곱에 반비례한다는 것이 확인됐다. 연구팀은 실험 감도를 높이면 암흑물질의 중력 효과와 양자 세계에서의 중력결합 등의 문제를 해결할 수 있는 돌파구가 될 것이라고 기대했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

이론과 간접 증거로만 존재했던 블랙홀을 인류가 마침내 확인했습니다. 세계 8곳의 전파망원경을 연결하여 만든 지구 크기의 가상 망원경인 ‘사건지평선 망원경’(EHT·Event Horizon Telescope)으로 블랙홀을 포착함으로써 1세기 넘게 추적해온 블랙홀의 실체를 드디어 파악하기에 이른 것입니다. 이로써 1915년 발표된 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 다시 한번 검증에 거뜬히 통과하는 쾌거를 이룩했습니다. 즉, 물체의 질량이 주변 시공간을 휘게 하며, 질량이 클수록 시공간의 곡률은 더욱 큰 곡률을 갖게 된다는 내용입니다. 천문학 최대의 화두인 블랙홀이란 과연 무엇일가요? 초간단 정리해보겠습니다. 상상 속에서 태어난 ‘검은 별’(Dark stars) 블랙홀은 우주에서 가장 기이하고도 환상적인 천체라 할 수 있습니다. 물질밀도가 극도로 높은 나머지 빛마저도 빠져나갈 수 없는 엄청난 중력을 가진 존재입니다. 가까이 접근하는 모든 물체를 가리지 않고 게걸스럽게 집어삼키는 중력의 감옥, 블랙홀. 모든 연령층, 모든 직업군을 아우르면서 블랙홀에 대해 크나큰 관심을 불러일으키고 상상력을 자극하는 것은 대체 무엇 때문일까요? 이 괴이쩍은 존재는 최초로 인간의 상상 속에서 태어났습니다. 1783년, 천문학에 관심이 많던 영국의 지질학자 존 미첼이 밤하늘의 별을 보면서 엉뚱한 생각을 합니다. 뉴턴의 중력 법칙과 빛의 입자설을 결합하여, '별이 극도로 무거우면 중력이 너무나 강한 나머지 빛마저도 탈출할 수 없게 되어 빛나지 않는 검은 별이 될 것이다' 이것이 블랙홀 개념의 첫 씨앗이었습니다. 미첼은 이런 생각을 쓴 편지를 왕립협회로 보냈습니다. '만약 태양과 같은 밀도를 가진 어떤 구체의 반지름이 태양의 500분의 1로 줄어든다면, 무한한 높이에서 그 구체로 낙하하는 물체는 표면에서 빛의 속도보다 빠른 속도를 얻게 될 것이다. 따라서 빛이 다른 물체들과 마찬가지로 관성량에 비례하는 인력을 받게 된다면, 그러한 구체에서 방출되는 모든 빛은 구체의 자체 중력으로 인해 구체로 되돌아가게 될 것이다' 그러나 당시 과학자들은 이론적인 것일 뿐, 그런 별이 실재하지는 않을 거라 생각하고 무시했습니다. 이러한 ‘검은 별’ 개념은 19세기 이전까지도 거의 무시되었는데, 그때가지 빛의 파동설이 우세했기 때문에 질량이 없는 파동인 빛이 중력의 영향을 받을 것이라고는 생각하기 힘들었기 때문입니다. 블랙홀 등장, 백조자리 X-1 그로부터 130년이 훌쩍 지난 1916년, 아인슈타인이 우주를 기술하는 뉴턴 역학을 대체하여 시간과 공간이 하나로 얽혀 있음을 보인 일반 상대성 이론을 발표한 직후, 검은 별 개념은 새로운 활력을 얻어 재등장했습니다. 일반 상대성 이론은 중력을 구부러진 시공간으로 간주하며, 질량을 가진 천체는 주변 시공간을 휘게 만든다는 이론입니다. 독일의 카를 슈바르츠실트가 아인슈타인의 중력장 방정식을 별에 적용해서 방정식의 해를 구했습니다. 그 결과, 별이 일정한 반지름 이하로 압축되면 빛마저 탈출할 수 없는 강한 중력이 생기게 되고, 그 중심에는 모든 물리법칙이 통하지 않는 특이점이 나타난다는 것을 알았습니다. 이것을 '슈바르츠실트 반지름'이라고 부릅니다. 이는 어떤 물체가 블랙홀이 되려면 얼마만한 반지름까지 압축되어야 하는가를 나타내는 반지름 한계치입니다. 이에 대해 아인슈타인은 “슈바르츠실트 반지름은 수학적 해석일 뿐, 실재하지 않는다는 것을 내 연구는 보여준다”면서 인정하지 않았습니다. 그러나 그 뒤 핵물리학이 발전하여 충분한 질량을 지닌 천체가 자체 중력으로 붕괴한다면 블랙홀이 될 수 있다는 예측을 내놓았고, 이 예측은 결국 강력한 망원경으로 무장한 천문학자들에 의해 관측으로 입증되었습니다. 1963년 미국 팔로마산 천문대는 심우주에서 유독 밝게 빛나는 천체를 발견했는데, 그것이 검은 별의 에너지로 형성된 퀘이사임을 확인했습니다. 오로지 상상 속에서만 존재하던 검은 별이 2세기 만에 마침내 실마리를 드러낸 것입니다. 사실 이전에는 ‘블랙홀’이란 이름조차 없었습니다. 대신 ‘검은 별’, ‘얼어붙은 별’, ‘붕괴한 별’ 등 이상한 이름으로 불려왔죠. ‘블랙홀’이란 용어를 최초로 쓴 사람은 미국 물리학자 존 휠러로, 1967년에야 처음으로 일반에 소개되었으며, 블랙홀의 실체가 발견된 것은 1971년이었습니다. 그 존재가 예측된 지 거의 200년이 지나서야 이름을 얻고 실체가 발견된 셈입니다. 1971년 미 항공우주국(NASA)의 X-선 관측위성 우후루는 블랙홀 후보로 백조자리 X-1을 발견했습니다. 강력한 X-선을 방출하는 이것이 과연 블랙홀인가를 놓고 이론이 분분했는데, 급기야는 과학자들 사이에 내기가 붙었습니다. 1974년 스티븐 호킹과 킵 손 사이에 벌어진 내기에서 호킹은 백조자리 X-1이 블랙홀이 아니라는 데에 걸었고, 킵 손 교수는 그 반대에 걸었습니다. 지는 쪽이 성인잡지 ‘펜트하우스’ 1년 정기 구독권을 주기로 했죠. 1990년 관측자료에서 특이점의 존재가 입증되자 호킹은 내기에 졌음을 인정하고 잡지 구독권을 킵 손에게 보냈는데, 그 일로 킵 손 부인에게 엄청 원성을 샀다고 합니다. 2005년에는 우리은하 중심에서도 블랙홀이 발견되었는데, 최신 관측자료에 의하면 전파원 궁수자리 A*가 태양 질량의 430만 배인 초대질량 블랙홀임이 밝혀졌습니다. 영화 ‘인터스텔라’ 제작에 자문역으로 참여하기도 했던 킵 손은 나중에 블랙홀 존재를 결정적으로 입증한 LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소)의 블랙홀 중력파 검출로 노벨 물리학상을 받았습니다. 블랙홀 연구에 큰 업적을 남긴 호킹은 노벨상을 받지 못해 안타깝게도 킵 손에게 두 번이나 패배한 형국이 되었습니다.블랙홀 존재, 어떻게 알 수 있나? 블랙홀은 엄청난 질량을 갖고 있지만 덩치는 아주 작습니다. 그만큼 물질밀도가 극도로 높다는 뜻이죠. 예컨대 태양이 블랙홀이 되려면 얼마나 밀도가 높아야 할까요? 슈바르츠실트 반지름의 해 공식으로 구해보면, 70만㎞인 반지름이 3㎞까지 축소되어야 하며, 밀도는 자그마치 1cm^3에 200억 톤의 질량이 됩니다. 각설탕 하나 크기가 그만한 무게가 나간다는 얘기죠. 지구가 블랙홀이 되려면 반지름이 우리 손톱 정도인 0.9cm로 작아져야 합니다. 이처럼 초고밀도의 블랙홀은 중력이 극강이어서 어떤 것도 블랙홀을 탈출할 수가 없습니다. 지구 탈출속도는 초속 11.2㎞이며, 빛의 초속은 30만㎞입니다. 블랙홀의 중력이 너무나 강해 탈출속도가 30만㎞를 넘기 때문에 빛도 여기서 탈출할 수가 없는 거죠. 따라서 우리는 블랙홀을 볼 수가 없습니다. 그런데 과학자들은 블랙홀의 존재를 확인할 수가 있습니다. 어떻게? 블랙홀이 주변의 가스와 먼지를 강력히 빨아들일 때 방출하는 X-선 복사로 그 존재를 탐색할 수 있습니다. 우리은하 중심부에 있는 초대질량 블랙홀은 두터운 먼지와 가스로 뒤덮여 있어 X-선 방출을 가로막고 있습니다. 물질이 블랙홀로 빨려들어갈 때 블랙홀의 사건 지평선 입구에서 안으로 들어가지 않고 스쳐지나는 경우도 있습니다. 블랙홀이 직접 보이지는 않지만, 물질이 함입될 때 발생하는 강력한 제트 분출은 아주 먼 거리에서도 볼 있습니다. 1958년에 미국 물리학자 데이비드 핀켈스타인이 블랙홀의 ‘사건 지평선’ 개념을 처음으로 선보였습니다. 사건 지평선이란 외부에서는 물질이나 빛이 자유롭게 안쪽으로 들어갈 수 있지만, 내부에서는 블랙홀의 중력에 대한 탈출속도가 빛의 속도보다 커서 원래의 곳으로 되돌아갈 수 없는 경계를 말합니다. 말하자면 블랙홀의 일방통행 구간의 시작점이죠. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체에게는 파멸적 영향이 가해지겠지만, 바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보입니다. 블랙홀은 특이점과 안팎의 사건 지평선으로 구성됩니다. 특이점이란 블랙홀 중심에 중력의 고유 세기가 무한대로 발산하는 시공간의 영역으로, 여기서는 물리법칙이 성립되지 않습니다. 즉, 사건의 인과적 관계가 보장되지 않는다는 뜻이죠. 이 특이점을 둘러싸고 있는 것이 안팎의 사건 지평선으로, 바깥 사건 지평선은 물질이 탈출이 가능한 경계이지만, 안쪽의 사건 지평선은 어떤 물질이라도 탈출이 불가능한 경계입니다. 블랙홀, 화이트홀, 웜홀 1964년, 이론 물리학자 존 휠러가 최초로 ‘블랙홀’이라는 단어를 대중에게 선보인 데 이어 1965년에는 러시아의 이론 천체물리학자 이고르 노비코프가 블랙홀의 반대 개념인 ‘화이트홀’이라는 용어를 만들었습니다. 만약 블랙홀이 모든 것을 집어삼킨다면 언젠가 우주공간으로 토해낼 수 있는 구멍도 필요하지 않겠는가 하는 것이 이 화이트홀 가설의 근거입니다. 말하자면, 블랙홀은 입구가 되고 화이트홀은 출구가 되는 셈이죠. 이렇게 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 우주 시공간의 구멍을 웜홀(벌레구멍)이라 합니다. 말하자면 두 시공간을 잇는 좁은 통로로, 우주의 지름길이라 할 수 있습니다. 웜홀을 지나 성간여행이나 은하 간 여행을 할 때, 훨씬 짧은 시간 안에 우주의 한쪽에서 다른 쪽으로 도달할 수 있다는 거죠. 웜홀은 벌레가 사과 표면의 한쪽에서 다른 쪽으로 이동할 때 이미 파먹은 구멍으로 가면 더 빨리 간다는 점에 착안하여 이름지어진 거죠. 하지만 화이트홀의 존재가 증명된 바 없으며, 블랙홀의 기조력 때문에 진입하는 모든 물체가 파괴되어서 웜홀을 통한 여행은 수학적으로만 가능할 뿐입니다. 그래서 스티븐 호킹도 웜홀 여행이라면 사양하고 싶다고 말한 적이 있습니다. 어쨌든 블랙홀의 현관 안으로 들어갔던 물질이 다른 우주의 시공간으로 다시 나타난다는 아이디어는 그다지 놀랄 만한 것은 아니지만, 여기에서 무수한 공상과학 스토리가 탄생했습니다. ‘닥터 후(Doctor Who)’, ‘스타게이트(Stargate)’, ‘프린지(Fringe)’ 등 끝이 없을 정도죠. 이런 얘기들은 하나같이 등장인물들이 우리 우주와 다른 우주 또는 평행우주를 여행한다는 줄거리로 되어 있습니다. 그러한 우주는 수학적으로 성립되는 가공일 뿐으로, 그 존재에 대한 증거는 아직까지 하나도 밝혀진 것이 없습니다. ​그러나 어떤 의미에서 시간여행이 현실적으로 불가능하다는 얘기는 아닙니다. 만약 우리가 엄청난 속도로 여행하거나, 또는 블랙홀 안으로 떨어진다면 외부 관측자의 눈에는 시간의 흐름이 아주 느리게 보일 것입니다. 이것을 중력적 시간지연이라 합니다. 이 효과에 의해 블랙홀로 낙하하는 물체는 사건의 지평선에 가까워질수록 점점 느려지는 것처럼 보이고, 사건의 지평선에 닿기까지 걸리는 시간은 무한대가 됩니다. 즉 사건의 지평선에 닿는 것이 외부에서는 관찰될 수 없습니다. 외부의 고정된 관찰자가 보면 이 물체의 모든 과정은 느려지는 것처럼 보이기 때문에, 물체에서 방출되는 빛도 점점 파장이 길어지고 어두워져서 결국 보이지 않게 됩니다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 빠르게 운동하는 시계의 시간은 느리게 갑니다. 2014년 영화 ‘인터스텔라’는 블랙홀 근처에서 일어나는 이러한 현상을 보여주었죠. 우주 비행사 쿠퍼(매튜 맥커너히)가 시간여행을 할 수 있었던 것은 그 때문입니다. 블랙홀의 사건 지평선 안에는 실제로 어떤 것이 있을까란 문제는 여전히 뜨거운 논쟁거리가 되고 있습니다. 블랙홀 내부를 이해하기 위해 끈이론, 양자 중력이론, 고리 양자중력, 거품 양자 등등 현대 물리학의 거의 모든 이론들이 참여하고 있습니다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

우주전문 사이트 스페이스닷컴에 지난 17일자(현지시간)로 호주 스윈번 공과대학의 앨리스터 그레이엄 천문학 교수가 블랙홀에 관한 흥미로운 칼럼을 게재했다. 칼럼 내용을 약간 가공해 소개한다.​ 블랙홀에 대한 지식이 ​커갈수록 우주 마니아들의 블랙홀 사랑도 덩달아 커가고 있다. 블랙홀에 관한 최근 뉴스는 블랙홀 가족 중에도 아주 낯선 존재인 '중간질량 블랙홀'의 발견에 관한 것이다. 우리는 블랙홀 중에는 태양 질량의 수십억 배에 이르는 초질량 블랙홀이 있는가 하면, 태양 질량의 몇 배밖에 되지 않는 블랙홀도 있다는 사실을 알고 있다. 그런데 태양 질량의 2200배 정도 되는 중간 질량의 블랙홀이 발견되어 과학자들을 깜짝 놀라게 만들었다. 이 블랙홀은 큰부리새자리47(47 Tucanae) 구상성단 안에서 발견되었는데, 중간 질량의 불랙홀로서 희귀한 사례에 속한다. 큰부리새자리는 남반구에 있기 때문에 한국에서는 볼 수가 없다. 그러나 구상성단 자체는 겉보기 등급 +4.91로 맨눈으로 흐릿하게 보인다. 지구로부터 약 1만 6700 광년 떨어져 있으며, 성단의 지름은 무려 120 광년에 달한다. 가까이 접근하는 모든 물체를 가리지 않고 게걸스럽게 집어삼키는 중력의 감옥, 블랙홀. 모든 연령층, 모든 직업군을 아우르면서 블랙홀에 대해 크나큰 관심을 불러일으키고 상상력을 자극하는 것은 대체 무엇 때문일까? '검은 별(Dark stars)' 질량이 너무 커서 빛조차 탈출할 수 없는 중력을 가진 존재에 대한 개념은 1783년까지 거슬러올라간다. 18세기 영국의 과학자 존 미첼은 다음과 같은 글을 남겼다. "만약 태양과 같은 밀도를 가진 어떤 구체의 반지름이 태양의 500분의 1로 줄어든다면, 무한한 높이에서 그 구체로 낙하하는 물체는 표면에서 빛의 속도보다 빠른 속도를 얻게 될 것이다. 따라서 빛이 다른 물체들과 마찬가지로 관성량에 비례하는 인력을 받게 된다면, 그러한 구체에서 방출되는 모든 빛은 구체의 자체 중력으로 인해 구체로 되돌아가게 될 것이다." 뉴턴 역학의 얼개 안에서 그러한 개념의 천체는 검은 별 또는 암흑성(dark stars)으로 불렸다. 그러나 이 암흑성 개념은 19세기 이전까지 거의 무시되었는데, 질량이 없는 파동인 빛이 중력의 영향을 받을 것이라고는 생각하기 힘들었기 때문이다. 1915년 아인슈타인이 우주를 기술하는 뉴턴 역학을 대체하여 시간과 공간이 하나로 얽혀 있음을 보인 일반 상대성이론을 발표한 직후, 암흑성 개념은 새로운 활력을 얻어 재등장했다. 독일의 카를 슈바르츠실트와 요하네스 드로스터가 각기 독립적으로 점질량에 대한 동일한 방정식의 답을 구했다. 이 풀이는 아인슈타인 방정식의 일부 항이 무한대가 되는 특이점을 가지는 특이행동을 보이는데, 이것을 오늘날 '슈바르츠실트 반지름'이라고 부른다. 이는 어떤 물체가 블랙홀이 되려면 얼마만한 반지름까지 압축되어야 하는가를 내타내는 반지름 한계점이다. 그러나 이 슈바르츠실트의 방정식은 당시 하나의 수학적인 해석에 지나지 않았고, 그뒤 핵물리학이 발전하여 충분한 질량을 지닌 천체가 자체 중력으로 붕괴한다면 블랙홀이 될 수 있다는 예측을 내놓았다. 이 같은 예측은 결국 강력한 망원경으로 무장한 천문학자들에 의해 관측으로 입증되었고, 충돌하는 블랙홀이 만들어낸 중력파가 미국의 LIGO에 의해 검출됨으로써 오랜 블랙홀 논쟁에 마침표를 찍게 되었다. 초밀도의 천체들 초밀도의 물체는 사람을 경악시키는 바가 있다. 예컨대 태양이 블랙홀이 되려면 얼마나 밀도가 높아야 할까? 슈바르츠실트 반지름의 풀이 공식으로 구해보면, 태양 질량을 그대로 지닌 채 70만km인 반지름이 3km까지 축소되어야 하며, 지구가 블랙홀이 되려면 반지름이 0.9cm로 작아져야 한다. 그러면 밀도는 자그마치 1cm^3에 200억 톤의 질량이 된다는 뜻이다. 각설탕 하나 크기가 그만한 무게가 나간다는 얘기다. 물질이란 게 이렇게까지 압축될 수 있다는 사실이 참으로 놀랍다고 하겠다. 만약 당신이 그러한 초질량의 물체가 다가간다면 끔찍한 상황이 기다리고 있다. 지구에서는 중력의 크기가 당신의 지금 키만큼 유지되게 해주고 있는 정도지만, 블랙홀 안으로 떨어지면 사정은 좀 달라진다. 블랙홀의 강력한 기조력이 당신의 머리와 발끝에 동시에 작용하는데, 그 힘의 차이가 엄청나서 당신의 몸은 스파게티 가락처럼 사정없이 늘어나게 된다. 마치 강력한 크레인 두 대가 각각 당신의 발과 머리를 잡아당기는 형국이다. 그러면 결국 어떻게 될까? 당신의 몸은 최종적으로 원자 단위로 분해된다. 천문학자들은 이를 '스파게티화'라 한다. 1958년에 미국 물리학자 데이비드 핀켈스타인이 블랙홀의 '사건 지평선' 개념을 처음으로 선보였다. 사건 지평선이란 외부에서는 물질이나 빛이 자유롭게 안쪽으로 들어갈 수 있지만, 내부에서는 블랙홀의 중력에 대한 탈출속도가 빛의 속도보다 커서 원래의 곳으로 되돌아갈 수 없는 경계를 말한다. 말하자면 블랙홀의 일방통행 구간의 시작점이다. 블랙홀, 화이트홀 1964년, 두 명의 미국인인 작가 앤 어윙과 이론 물리학자 존 휠러가 최초로 '블랙홀'이라는 단어를 대중에게 선보였다. 이어서 1965년, 러시아의 이론 천체물리학자 이고르 노비코프가 블랙홀의 반대 개념인 '화이트홀'이라는 용어를 들고나왔다. 만약 블랙홀이 모든 것을 집어삼킨다면 언젠가 우주공간으로 토해낼 수 있는 구멍도 필요하지 않겠는가 하는 것이 이 화이트홀 가설의 근거다. 말하자면, 블랙홀은 입구가 되고 화이트홀은 출구가 된다. 이 아이디어는 부분적으로 아인슈타인-로젠의 다리로 알려진 수학적인 개념에 뿌리를 내리고 있다. 1916년에 오스트리아의 물리학자 루트비히 플램에 의해 수학적으로 발견된 후, 1935년에 아인슈타인과 미국-이스라엘 물리학자 나단 로젠에 의해 재발견되어 아인슈타인-로젠의 다리는 나중에 역시 존 휠러에 의해 '웜홀(wormhole)'이라는 이름을 얻었다. 1962년, 존 휠러와 미국 물리학자 로버트 풀러는 그러한 웜홀이 양자 하나도 통과하기 어려울 만큼 불안정하다는 사실을 이론적으로 정립했다. 블랙홀에 관한 팩트와 픽션 블랙홀의 현관 안으로 들어갔던 물질이 다른 우주의 시공간으로 다시 나타난다는 아이디어는 그다지 놀랄 만한 것은 아니지만, 여기에서 무수한 공상과학 스토리가 탄생했다. '닥터 후(Doctor Who)', '스타게이트(Stargate)', '프린지(Fringe)', '파스케이프(Farscape)' 디즈니의 '블랙홀' 등 끝이 없을 정도다. 이런 얘기들은 하나같이 등장인물들이 우리 우주와 다른 우주 또는 평행우주를 여행한다는 줄거리로 되어 있다. 그러한 우주는 수학적으로 성립되는 인공물일 뿐으로, 그 존재에 대한 증거는 아직까지 하나도 밝혀진 것이 없다. 그러나 어떤 의미에서 시간여행이 현실적으로 불가능하다는 얘기는 아니다. 만약 우리가 엄청난 속도로 여행하거나, 또는 블랙홀 안으로 떨어진다면 외부 관측자의 눈에는 시간의 흐름이 아주 느리게 보일 것이다. 이것을 중력적 시간 지연이라 한다. 이 효과에 의해 블랙홀로 낙하하는 물체는 사건의 지평선에 가까워질수록 점점 느려지는 것처럼 보이고, 사건의 지평선에 닿기까지 걸리는 시간은 무한대가 된다. 즉 사건의 지평선에 닿는 것이 외부에서는 관찰될 수 없다. 외부의 고정된 관찰자가 보기에 이 물체의 모든 과정은 느려지는 것처럼 보이기에, 물체에서 방출되는 빛도 점점 파장이 길어지고 어두워져서 결국 보이지 않게 된다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 빠르게 운동하는 시계의 시간은 느리게 간다. 2014년의 영화 '인터스텔라'는 블랙홀 근처에서 일어나는 이러한 현상을 보여주었다. 우주 비행사 쿠퍼(매튜 맥커너히 분)가 시간여행을 할 수 있었던 것은 그 때문이다. 대중에게 사랑받고 있는 '블랙홀'이란 이름은 사실 오해의 소지가 있는 명칭이다. 그것은 시공간의 구멍을 의미하는 것으로, 어떤 물체이든 그 안으로 떨어지면 더이상 물체로서 존재할 수 없이 극도의 고밀도 상태가 된다. 블랙홀의 사건 지평선 안에는 실제로 어떤 것이 있을까란 문제는 여전히 뜨거운 논쟁거리가 되고 있다. 블랙홀 내부를 이해하기 위해 끈이론, 양자 중력이론, 고리 양자중력, 거품 양자 등등 현대 물리학의 거의 모든 이론들이 참여하고 있다. 어쨌든 당분간 블랙홀은 새로운 사실들이 밝혀질 때마다 일반의 관심을 고조시키며 물리학의 화두로서 위세를 떨칠 것만은 분명해 보인다. ​ 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

‘우공이산’(愚公移山)이라는 고사성어가 있다. 어리석은 사람이 산을 옮긴다는 뜻이다. 중국의 ‘열자’라는 책 탕문편(하나라 탕왕이 신하들과 주고받은 이야기)에 이 이야기가 있다. 중국 허베이성 지저우와 허난성 허양 사이에 태행산과 북산이라는 큰 산이 있었다. 산 아래 나이가 아흔인 우공이라는 노인이 살고 있었는데 산이 가로막아 멀리 돌아다니는 게 불편해 어느 날 두 산을 옮기기로 결심했다. 아내가 반대하는데도 뜻을 굽히지 않았다. 보다 못한 식구들이 돌과 흙을 발해에 버리기로 하고 일을 시작하자 이웃도 돕기 시작했다. 그러나 일은 더뎠고 단 한번도 발해에 흙을 버리지 못했다. 이때 지수라는 사람이 “풀 한 포기 뽑지 못할 늙은이가 산을 옮기다니 참으로 어리석도다”라고 한탄했다. 그러자 우공은 “당신이 답답하다. 내 대에는 안 되겠지만 자자손손 이어 가면 안 될 것이 없다”고 대답하자 지수가 말문이 막혔다고 하다. 이에 천신(天神)이 감복해 두 아들을 내려보내 산을 메어다 옮겨 놓게 했다는 이야기다. 산을 옮겨 바다에 이른다는 ‘이산도해’(移山倒海)도 이 고사에서 유래했다. 일흔셋의 나이에 변호사에서 물리학자가 된 강봉수 전 서울중앙지법원장 인터뷰 기사를 읽으면서 ‘우공이산’이 생각났다. 남이 보기엔 우둔해 보이지만 한 가지 일에 매진해 꿈을 이룬 강 변호사의 이야기가 살아 있는 우공이산이라는 생각이 들었다. 그는 판사 시절 판결문 쉽게 쓰기 운동을 펼치고 아내와 봉사활동도 많이 했다고 한다. 7년 전 유학길에 올랐다. 애초 계획했던 5년보다는 2년이 길어졌지만 마침내 박사 학위를 받았다고 한다. 더 놀라운 것은 논문 제목이다. ‘초전화된 전자파와 이를 응용한 입자 가속기’라고 한다. 인문학도로서는 도무지 감이 오지 않는 제목이다. 그의 포부는 현대 물리학의 가장 뜨거운 분야인 양자중력 연구라고 하니 분명히 우공이 시작한 아흔 살 이전에 뭔가를 이룰 것 같은 느낌이 든다. 그의 꿈이 이뤄지길 소망한다. 강 변호사 기사를 읽으면서 생각난 또 한 사람은 어제 7주기를 맞은, ‘바보’라는 별명을 가진 노무현 전 대통령이다. 별명이 바보인 것은 지역감정을 없애 보겠다며 야당의 불모지에서 무모한 도전을 거듭한 데서 붙여진 것이다. 김해 봉하마을에서 열린 추도식에는 대한민국의 내로라하는 정치인들이 대거 참석했다고 한다. 그곳에 모인 정치인 중에 ‘바보 노무현’을 진심으로 추도한 사람이 몇이나 될까 궁금하다. 노무현이라는 이름은 우리 사회에서 여전히 어떤 이에게는 극복의 대상이고, 어떤 이에게는 혐오의 대상이다. 하지만 우공이산의 정신만은 모두에게 계승됐으면 한다. 국민은 물론이고 정치인 중에서도 이정현 의원이나 김부겸 당선자처럼 더 많은 ‘바보’가 나올 날을 기다려 본다. 강동형 논설위원 yunbin@seoul.co.kr

7년 매진… UC머시드에서 학위 규칙적 생활·건강 관리가 ‘비결’ “순수했던 고교 시절로 돌아가 그때 가졌던 물리학에 대한 꿈을 성취하다니 제가 생각해도 대단한 일인 것 같습니다.” 전화기 너머로 들리는 강봉수(73·사시 6회) 변호사의 목소리에는 기운이 넘쳤다. 60대 중반의 나이에 학업에 다시 뛰어든 지 7년 만에 박사학위를 받은 그는 가슴속 벅찬 감격을 일부러 숨기려 하지 않았다. 강 변호사는 지난 15일 미국 캘리포니아주립대 중 한 곳인 UC머시드 대학원에서 물리학으로 학위를 받았다. 그는 22일 “규정된 5년보다 2년을 더 지체했지만, 7년이라는 긴 세월이 지났다는 것을 실감하지 못할 만큼 공부에만 집중했다”고 말했다. 2009년 유학길에 오를 때만 해도 서울중앙지법원장 출신의 대형 법무법인 소속 변호사가 ‘학문의 길’을 선택했다는 사실에 많은 사람이 놀랐다. 강 변호사가 만학에 다시 도전했던 것은 어릴 적 꿈 때문이었다. 청주고 재학 시절 물리학도를 꿈꿨지만 부친의 권유로 서울대 법대에 진학했다. 강 변호사는 대학을 마친 후에는 사법시험에 합격해 법조인으로서의 삶을 시작했다. 대구지법을 시작으로 법원도서관장, 제주지방법원장, 인천지방법원장에 이어 2000년 서울중앙지방법원장을 끝으로 퇴임했다. 현직 판사 시절 ‘판결문 쉽게 쓰기’ 운동을 벌였던 그는 변호사 생활을 하면서 부인 이상순(72)씨와 함께 가정환경이 어려운 아이들 10여명을 거둬 돌보는 봉사활동을 하기도 했다. 그러던 중 미국으로 유학을 떠났다. 젊은 학생 사이에서 공부하는 동안 학업 중단으로 이어질 수 있는 고비도 있었다. 학위논문을 쓰기 위해 필수였던 자격시험이 문제가 됐다. 그는 “마지막 학기에 자격시험에 겨우 통과해서 한국에 빈손으로 돌아가지 않을 수 있게 됐다”고 말했다. 그의 박사학위 논문 주제는 ‘초점화된 전자파와 이를 응용한 입자가속기’다. 중력파를 연구하는 지도교수와 중력파 측정 도구에 대해 연구하다 논문 주제를 잡게 됐다. 그는 일흔이 넘은 나이에도 공부를 계속할 수 있었던 것은 규칙적인 생활과 건강 관리 때문이라고 했다. “젊었을 때부터 습관화된 생활을 미국에 와서도 매일 이어 갔습니다. 그런 체력을 바탕으로 초저녁에 잠을 자고 자정쯤 일어나 밤새 공부하는 생활을 반복했습니다.” 앞으로 박사 후 과정에 진학해 ‘양자 중력’에 대해 연구할 계획이다. 그는 “유일하게 순수 자연과학으로 남은 물리학에서 양자 중력은 기본 원리에 속한다”며 “해결되지 않은 문제가 아직 많은 것 같아서 힘 닿는 데까지 연구해 보려고 한다”고 말했다. “법관 생활을 할 때에는 나의 판단이 제대로 된 것인지 항상 고민하고 걱정을 해야 했지만, 지금은 학부형 노릇 하는 집사람에게만 야단맞으면 되니까 부담감이 훨씬 적습니다.” 서유미 기자 seoym@seoul.co.kr

이 새로운 이론이 사실로 증명된다면 '우주가 빅뱅에서 출발했다'는 이른바 빅뱅 이론이 폐기처분될지도 모른다. '피지컬 레터 B' 2월호에 발표된 이 이론에 따르면, 우주는 결코 '특이점', 곧 물질이 무한대의 밀도로 응축된 한 점에서 탄생하지 않았다. 새 이론의 공동저자인 캐나다 리스브리지 대학 이론물리학자 소리야 다스 교수는 "우리의 이론은 우주의 나이가 '무한'할 수 있다는 것을 시사하고 있다"며 우주 구조의 대부분을 이루고 있는 암흑물질이 어떻게 생성되었는가 하는 것도 설명할 수 있다고 주장한다. 기존의 '빅뱅 이론'에 따르면, 우주는 약 138억 년 전에 탄생했다. 현재 우주를 이루고 있는 모든 물질은 '특이점'이라고 불리는 아주 작은 한 점에 응축돼 있었는데, 그 점은 무한대의 밀도와 온도를 가진 '원시의 알'이라 할 수 있는 것이다. 이 한 점이 폭발하여 원시 우주를 만들었고, 그 우주는 자체의 진화 과정을 거쳐 오늘의 우주가 되었다는 것이다. 이 특이점은 아인슈타인의 일반상대성 이론의 장방정식에서 도출된 것으로, 이 방정식은 우주의 시공간이 물질에 의해 휘어져 있음을 기술하고 있다. 그리고 레이쇼드후리 방정식이라고 불리는 또 하나의 방정식에서도 역시 특이점이 도출되는데, 이 방정식은 물질의 분산과 집중의 경로를 서술한 것이다. 이들 이론들에 따르면, 우주의 모든 물질이 한때 하나의 점에 응축돼 있었던 것으로 알려져왔다. 이것이 바로 빅뱅의 특이점이라 불리는 것이다. 그러나 새로운 연구결과는 이 이론이 맞지 않다는 것이다. -빅뱅에서 우주가 출발했다는 증거는? 아인슈타인의 방정식은 특이점에 도달하기도 전에 물리법칙이 파탄나는 것을 보여준다. 하지만 과학자들은 여전히 방정식이 유효하다는 전제로 추론을 한다고 몬트리올 맥길 대학의 우주론자인 로버트 브랜든버거 교수가 주장한다. 그는 이 새 연구에 참여하지 않았지만 "우리가 빅뱅에서 우주가 출발했다고 말할 때 사실은 그에 대한 확고한 증거가 없다"고 강조한다. 물리학에는 또 다른 현안이 있다. 이른바 물리학을 떠받치고 있는 두 기둥, 즉 거시세계를 다루는 상대성 이론과 미시세계를 다루는 양자론을 하나의 양자중력 이론으로 통합하는 문제다. 양자역학은 아원자 수준의 소립자 운동은 근본적으로 불확정적이라고 본다. 이것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 볼 때는 수용할 수 없는 기묘한 이론이다. 상대성 이론은 한마디로 결정론으로, 자연의 법칙을 알아내기만 한다면 과거의 행적으로 미래를 예측할 수 있다고 주장한다. 따라서 두 이론의 모순 없는 통합이 이루어지지 못하고 있다고 다스는 설명한다. 이른바 대통일이론이라는 이 문제의 해결에 많은 물리학자들이 매달리고 있지만 현재까지 난항을 겪고 있는 중이다. 아인슈타인 역시 여생을 여기에 투입했지만 빈 손으로 가고 말았다. -일반 상대성 이론에 양자역학을 접목 다스와 그의 동료 연구자들은 이 문제를 해결할 수 있는 방법을 모색하기 위해 '봄 역학'(Bohmian Mechanics)이라고 불리는 양자역학의 시각화라는 방법에 주목했다. 거기에는 숨은 변수가 아원자 입자들의 기묘한 움직임을 지배한다. 양자역학의 다른 방정식과는 달리 봄 역학은 입자의 궤적을 계산할 수 있는 방법을 제공해준다. 이 양자이론의 오랜 형식을 사용하여 연구자들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 포함된 한 항에 작은 보정 값을 계산해냈다. 그런 다음 아주 오랜 과거 시간에 무엇이 일어났는가를 알아냈다. 새로운 방정식이 보여준 결과는 어떠한 특이점도 없다는 것이다. 우주는 한때 훨씬 작았지만, 빅뱅 이론에서 주장하는 것처럼 결코 무한하게 밀도가 높지는 않았다고 기술한다. 따라서 우주는 영원 이전부터 존재했다는 데로 귀결된다. 이들의 방정식에서 양자적 보정을 가한 항은 암흑물질의 밀도에 관련된 것이라고 다스 교수는 밝힌다. 그들의 이론대로라면, 우주는 가상의 입자, 예컨대 중력을 전달하는 입자로 알려진 중력양자(graviton)나 악시온이라는 극저온의 유령 같은 초유동 입자들로 가득 채워져 있을지도 모른다는 얘기다. 이 이론이 맞는 것인가를 검증하는 방법은 우주에 암흑물질이 얼마나 분포돼 있으며, 이론에서 제시된 초유동체의 비율과 맞아떨어지느냐를 조사하는 것이라고 다스는 제안한다. 어쨌든 새로운 방정식은 양자역학과 일반 상대성 이론을 접목시키는 하나의 방식으로 보인다. 이번 연구결과는 2월 4일자 '피지컬 레터 B' 저널에 발표되었다. 그리고 또 다른 논문은 발표를 앞두고 검토 중에 있는 것으로 알려졌다. 이광식 통신원 joand999@naver.com

‘정신이 육체를 지배한다.’는 오랜 명제에 의심을 품는 사람이 있다면 여기 스티븐 호킹 케임브리지대 명예교수를 보라. ‘현존 최고의 물리학자’라는 수식어에 감히 그 누구도 이의를 제기할 수 없고, 아인슈타인 이후 누구보다 뛰어난 이론과 우주를 보는 시각을 제시했지만 그의 가장 큰 업적은 ‘생존’ 그 자체다. 1963년 근위축성 측색경화증(루게릭병)으로 2~3년만이 남았다는 시한부 판정을 받았던 22살의 청년 호킹은 올해도 살아있다. 지난 8일(현지시간) 70세 생일을 맞은 과학자의 인생은 우리에게 무엇을 주는 것일까. ●22세때 3년 시한부 선고… 연구 지속 호킹 교수는 루게릭병 진단을 받기 전 자신의 삶이 ‘지루했다.’고 표현한다. 그러나 때이른 죽음을 직면한 호킹 교수는 점점 말을 듣지 않는 몸 대신 정신을 집중하기 시작했다. “삶이란 좋은 것이고 하고 싶은 일도 많다는 것을 깨달았다.”는 것이다. 특히 호킹 교수가 일생의 목표로 삼은 ‘우주의 완전한 이해’는 몸보다는 정신이 훨씬 큰 역할을 할 수 있는 분야였다. 그의 병이 유례를 찾기 힘들 정도로 천천히 진행된 것은 자신은 물론 과학계에도 큰 축복이었다. 호킹 교수가 세계적인 명성을 얻게 된 것은 1973년이다. ‘블랙홀은 검은 것이 아니라 뜨거운 물체처럼 빛을 발한다.’는 그의 이론은 블랙홀에 대한 학계의 고정관념을 송두리째 흔들었다. 1979년에는 아이작 뉴턴, 폴 에이드리언 디랙에 이어 케임브리지대 루카시언 석좌교수가 됐다. 하지만 병마는 끊임없이 그를 괴롭혔다. 1985년 폐렴으로 인한 기관지 절개술은 그의 목소리를 기계음으로 영원히 바꿔놓았다. 그러나 그 어떤 것도 호킹 교수를 막을 수는 없었다. ‘특이점 정리’ ‘블랙홀 증발’ ‘양자우주론’ 등 호킹 교수가 내놓은 이론은 ‘가설의 천국’인 이론물리학계에서 가장 뛰어나고 혁신적인 이론으로 각광받았다. 호킹 교수의 이론은 물리학자들이 꿈꾸는 단 하나의 원리, 곧 ‘최종 이론’에 가깝다. 호킹 이전의 물리학은 우주와 같은 거시세계를 다루는 상대성이론과 미시세계를 다루는 양자역학이 분리된 세계였다. 그러나 그는 이 둘을 하나로 통일하는 양자중력론에 평생을 바쳤다. 휠체어에 앉아 수십년간 목 위의 움직임만으로 세상과 소통한 호킹 교수는 과학의 대중화에도 지대한 영향을 미쳤다. 그의 행동 하나, 말 하나에도 전 세계가 귀를 기울였다. 호킹 교수의 첫 저서 ‘시간의 역사’는 난해한 내용임에도 전 세계적으로 1000만권 이상 판매됐다. 호킹 교수 자신도 abc방송이 선정한 지난 25년간 세계를 변화시킨 25인 중 7위에 이름을 올렸다. 학문적 성과 이외에도 호킹 교수는 민간 우주 여행사의 무중력 체험선에 탑승해 무중력 공간을 체험한 것으로 화제가 되기도 했고, 이혼과 재혼 등 사생활도 언론과 대중의 관심을 한 몸에 받고 있다. ●무신론 주장… 철학자에 가까워져 수십년간 ‘신’의 존재를 부인하지 않았던 호킹 교수는 2010년 발간한 저서 ‘위대한 설계’를 통해 본격적인 ‘무신론자’로 돌아섰다. 지난해에는 “사후 세계가 우리를 기다리고 있다는 믿음은 죽음을 두려워하는 사람들이 만들어 낸 동화일 뿐”이라며 이 같은 믿음이 확고하다는 사실을 다시 강조하기도 했다. 고희를 맞은 노()과학자는 이제 철학자에 가까워 보인다. 외계인의 존재, 시공간을 거스르는 존재 등에 대한 최근의 발언들은 연구보다는 고뇌의 결과물로 보인다. 시간은 많이 남지 않은 것 같다. 영국 일간 데일리메일은 최근 “호킹 교수의 뺨 근육이 악화되면서 1분에 한 단어밖에 발음하지 못할 정도”라고 전했다. 또 호킹 교수는 8일 열린 자신의 생일파티에도 참석하지 못했다. 역사는 그를 어떻게 기록할까. 갈릴레이, 뉴턴, 아인슈타인의 대를 이었던 ‘누구나 인정하는 당대 최고의 과학자’보다는 ‘정신과 마음이 가장 위대했던 과학자’가 더 어울리지 않을까. 박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

영국의 세계적 이론물리학자 스티븐 호킹(사진 왼쪽·64) 박사가 곧 이혼할 것 같다고 영국 언론들이 20일(현지시간) 보도했다.AP통신 등에 따르면 호킹 박사와 두번째 부인 일레인(오른쪽·55)은 케임브리지주(州) 법원에 이혼 서류를 제출했다. 법원과 호킹의 대학측 대변인은 가족사라는 이유로 언론 보도를 확인해 주지 않고 있다. 전신마비의 불치병인 루게릭병을 앓고 있는 호킹은 일레인과 지난 1995년 재혼해 11년간 살고 있다. 첫번째 부인인 제인과는 1991년에 이혼했으며 제인과의 사이에 3명의 자녀가 있다. 호킹은 2004년 일레인으로부터 상습적인 폭행에 시달린다는 보도가 나오기도 했다. 이 때문에 호킹이 우울증에 걸렸다거나 음주벽에 빠졌다는 보도가 심심찮게 흘러 나왔다.케임브리지대 석좌교수인 호킹은 주로 이론우주론과 양자중력을 연구하면서 시공간과 빅뱅, 블랙홀 등의 본질을 밝혀내는 데 주력해 왔다. 그가 우주의 역사를 쉽게 풀어 쓴 ‘시간의 역사’는 세계적인 베스트셀러가 됐다. 호킹은 22세 때 수축성 운동신경병(일명 루게릭병)에 걸려 휠체어에 의지해 생활하고 있으며 컴퓨터와 음성합성장치로 강연과 대화를 하고 있다.박정경기자 olive@seoul.co.kr