호킹의 자서전

호킹의 자서전

나는 한때 물리학에 관심이 많았습니다. 물리학이 나로 하여금 우주관뿐 아니라 역사관 그리고 철학에까지 영향을 주었다고 생각합니다.
호킹이 자서전적으로 쓴 글을 전에 번역해두었던 것이 책장을 정리하다가 튀어나왔길래 소개할까 합니다.
혹시 이런 연재에 관심이 있는 분들이 있다면 연재의 폭을 확대할까도 생각중입니다.
호킹은 여러분도 아시다시피 아인슈타인 이후 가장 유명한 물리학자로 존경을 받고 있습니다.


나는(호킹) 1942년 1월 8일에 Oxford에서 태어났습니다. 할아버지는 부유한 농부로서 많은 농장을 사들였다가 경제공황 때 파산하셨지만 아버지를 옥스포드 의대에 진학시킬 수는 있었습니다.
저의 어머니는 스코틀랜드 태생으로 가정학 의사의 일곱 자녀들 중 둘째로 태어나셨습니다.
어머니는 옥스포드 대학에서 공부하신 후 여러 가지 일을 하시다가 비서가 되었고 이런 이유로 아버지를 만나게 되셨습니다.
우리 가족은 런던의 북쪽 하이게잇Highgate에서 거주했습니다.

내 여동생 메리Mary는 나보다 18개월 후에 태어났고 메리는 나중에 의사가 되었습니다.
나의 또 다른 여동생 필리파Phillippa는 5년 후 태어났으며 남동생 에드워드Edward는 내가 14살 때 태어났는데 공부하기를 싫어했습니다.

아버지는 하이게잇에 있는 가늘고 기다란 빅토리안 양식의 집을 구입하셨는데 2차세계대전 중이어서 집이 쌀 때였습니다.
독일 전투기들이 런던을 폭격하면서 우리집 몇집 건너에도 포탄을 떨어뜨렸습니다.
우리는 폭격을 피해 피신했지만 아버지는 집에 그냥 남아계셨는데 집이 무사했습니다.
그 집을 아버지가 위독하실 때인 1985년에 팔았고 아버지는 이듬해 세상을 떠나셨습니다.

아버지는 내가 당신의 모교인 옥스포드 대학에 진학하기를 바라셨으므로 나는 1959년 3월 옥스포드 대학에서 장학금을 받을 수 있는 자격시험을 쳤고 며칠 후 장학금을 지급하겠다는 통지를 받았습니다.
그때 내 나이 17살이었으며 다른 학생들은 대부분 군복무를 마친 후였기 때문에 나보다는 나이가 훨씬 많아습니다.

옥스포드 대학을 졸업하면서 나는 이론물리학의 두 갈래 길에서 어디로 갈 것인지 고심하게 되었습니다.
나는 기초 미분자들보다는 우주론cosmology에 더 관심이 많았는데 그 이유는 이 분야에는 아인슈타인의 잘 정의된 일반 상대성 이론General Theory of Relativity이 있었기 때문이었습니다.
당시 옥스포드 대학에는 우주론에 유능한 물리학자가 없었으며 캠브리지 대학에는 잘 알려진 학자 프레드 호일Fred Hoyle이 계셨습니다.

나는 호일의 지도 아래 캠브리지 대학에서 박사학위를 성취하기로 결심했습니다.
하지만 내가 캠브리지 대학에 진학했을 때 나의 지도교수는 호일이 아니라 데니스 시아마Denis Sciama였고 나는 그분에 관해 들은 바가 없었습니다.
호일은 외국 여행을 자주 하셨으므로 어차피 그분의 지도를 받기는 어려웠을 테고 나는 시아마의 아이디어들에 더러 동조하지는 않았지만 그분은 내게 늘 자극을 주셨던 좋은 교수였습니다.

내가 옥스포드 대학에 재학할 때 수학을 별로 공부하지 않았기 때문에 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 이해하는 데 어려움이 있었으며 따라서 공부에 별 진전이 없었습니다.
캠브리지 대학원에 입학하고 얼마 안 돼 나는 ALS(Amyotrophic Lateral Sclerosis 혹은 Motor Neurone Disease(운동신경병)라고도 함)라는 증세를 가졌다는 진단을 받았습니다.
처음에 나는 병원측으로부터 진전이 있기 때문에 별로 염려할 필요가 없다는 말을 들었고, 나는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 이해하기 시작했으며 공부에 진전이 있었습니다.

내게 ALS의 증세가 나타날 무렵 나는 제인 윌드Jane Wilde를 알게 되었고,
그녀를 사랑했으므로 그녀와 결혼하여 과학자로서 일생을 살기로 결심했으며,
과학자들과 창녀들은 모두 자신들이 즐기는 일에 대한 보상을 받는 사람들이란 말이 있습니다.
나는 생계를 위해 카이우스Caius 대학에 급여를 받는 연구원으로 받아들여졌고,
나와 제인은 1965년 7월에 결혼했으며,
우리는 서폴크Suffolk로 신혼여행을 떠났습니다.
그리고 우리는 뉴욕 북쪽에 있는 코넬 대학에서 일반 상대성 이론을 가르치는 과목을 여름학기에 수강했는데 과목은 좋았지만 기숙사에 아이들까지 묵었으므로 너무 시끄러워 실망했습니다. 

블랙 홀 속에 있는 미분자들은

블랙 홀 속에 있는 미분자들은
 

하이젠베르그의 불확정 원리Uncertainty Principle에 따르면 우리는 미분자의 상태를 정확하게 측정할 수 없으며 따라서 미분자의 미래에 관해 예언할 수 없다.
다만 우리는 다른 결과들이 초래될 것에 관해서만 그 가능성들을 예언할 수 있을 뿐이다.
이런 우연의 요소는 아인슈타인의 정신을 어지럽혔고 아인슈타인은 우리가 물리적 법칙을 정확하게 정립할 수 없다는 사실을 믿으려 하지 않았다.
하지만 모든 증거들에 의하면 양자현상Quantum Phenomenon과 불학정 원리는 물리학의 어느 분야에서도 피할 수 없이 일어나고 있는 현상이다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론을 고전 이론이라고 부르는 까닭은 그의 이론에는 불확정 원리가 수용되어 있지 않기 때문이다.
누군가가 이 두 이론을 혼용하여 새로운 이론을 모색해야만 했으며 나와 펜로우즈는 공간-시간이 아주 작은 규모로 높게 구부러짐을 증명했다.

불확정 원리가 일반 상대성 이론의 모순들을 증명했으며 1948년에 미국 물리학자 리처드 페인만Richard Feynman은 빛의 양자이론을 발표했다.
페인만은 다른 미국인 줄리안 슈빙거Julian Schwinger와 일본 물리학자 시니치로 토모나가Shinichiro Tomonaga와 함께 1965년에 노벨상을 수상했다.
페인만은 1988년에 타계했다.

미분자가 A에서 B로 나아가는 가능성이란 미분자가 A에서 B로 나아가는 모든 방법들의 합계와 관련 있다.
나는 1973년에 블랙 홀 근처 구부러지는 공간-시간 속에 있는 미분자에 불확정 원리가 어떻게 적용될 것인가에 대해 연구하기 시작했다.
나는 놀랍게도 블랙 홀이 온전히 검정색이 아니라는 사실을 발견했다.
불확정 원리는 블랙 홀 밖으로 계속되는 비례로 미분자들과 발광이 새어나오고 있음을 나로 하여금 알게 해주었는데 이런 사실에 난 놀라고 말았다.

블랙 홀은 우주의 일정한 지역으로 어떤 물질이라도 빛보다 더욱 빠른 속도를 지니고 있지 못하다면 그곳에 갇혀서 빠져나올 수 없게 된다.
페인만은 미분자들은 공간-시간을 통해 어느 방향으로도 나아갈 수 있다고 했다.
미분자는 빛보다 더욱 빠른 속도로 먼 거리를 갈 수 있는 확률은 낮지만 블랙 홀을 빠져나올 수 있는 만큼은 빠를 수 있으며 그후 빛보다는 느리게 간다.

불확정 원리는 미분자가 블랙 홀을 빠져나올 수 있음을 시사했다.
하지만 우주에는 우주 초기에 형성된 아주 작은 블랙 홀들이 있고 이 원시시대부터 존재하는 블랙 홀들은 그 크기가 원자의 핵the Nucleus of an Atom보다 작지만 그것들 원래 물질은 후지산만한 십 억 톤에 달한다.
그것들은 아주 힘있는 에너지를 발산한다.
그러나 그것들이 우주에 그리 많지는 않을 것이다.
블랙 홀이 방사한다는 나의 예언은 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자원리를 혼용하여 이루어진 것이었다.

블랙 홀 속에 있는 미분자들은 이제 그것들의 존재가 종식된 것들이라고 말할 수는 없고 그것들은 블랙 홀에서 탈출하여 블랙 홀 밖에서 계속 존재하게 된다.
양자원리는 어쩜 Big Bang 때 창조가 시작되면서 시간이 시작되었다는 논리를 무효화시킬 것이다.
아직 우리가 이런 논리를 정연하게 할 수는 없지만 만약 우리가 우리의 실재 시간real time 대신 상상의 시간imaginary time을 사용한다면 이해가 가능해진다.
상상의 시간은 이해하기 어려운 개념이다.
내가 상상의 시간을 사용한다고 철학자들이 나를 심하게 비난하기도 했다.
그리고 양자역학의 발견으로 우주의 역사는 독특한 역사가 아니라 모든 모든 가능한 역사every possible history임을 알게 되었다.

실재 시간을 수평선이라고 한다면 왼쪽은 과거이고 오른쪽은 미래가 될 것이며 상상의 시간이란 실재 시간에 직각을 만드는 수직이라고 생각하면 된다.
왜 상상의 시간에 대한 개념이 필요한가 하면 물질과 에너지들이 공간-시간을 구부러뜨리기 때문이다. 상상의 시간은 실재 시간에 직각을 이룬다.

1983년 나와 짐 하틀Jim Hartle은 우주 역사들의 합을 실재 시간 내에서 역사들의 합으로 이해해서는 안 되고 상상의 시간 내에서의 역사들의 합으로 받아들여져야 한다고 주장했다.
왜냐하면 이 역사들은 시작도 끝도 없으며 무슨 현상이 일어났었는가는 온전히 물리학의 법칙으로만 이해될 수 있기 때문이다.
만약 우리가 상상의 시간 내에서 우주의 역사를 이해한다면 우리는 우주의 역사가 실재 시간 내에서 어떻게 일어났는지를 계산할 수 있게 된다.
이렇게 되면 우리는 완전히 통일된 이론을 갖게 되며 우리는 우주 안에 있는 모든 것들을 예언할 수 있게 된다.

아인슈타인이 이런 이론을 발견하지 못한 까닭은 그가 양자역학을 신뢰하지 않았기 때문이다.
아인슈타인은 우주는 많은 다른 역사들을 가질 수 있었을 것이라는 이론을 받아들이려고 하지 않았다.
상상의 시간은 공상과학에서는 벌써 자연스럽게 사용되고 있다.
상상의 시간은 수학적 속임수나 공상과학보다 더한 것이다. 

물체들은 블랙 홀 속으로 흡수되며

물체들은 블랙 홀 속으로 흡수되며

 
물질이 공간-시간을 구부리는 역할을 하고 물질이 자체의 지역을 구부려서 우주와의 관계를 끊고 스스로 독립하여 존재하는 경우가 있는데
이런 지역을 블랙 홀이라 한다.
물체들은 블랙 홀 속으로 흡수되며 흡수된 물체들은 어느 것이라도 홀 밖으로 빠져나갈 수 없다.
만약 탈출하는 데 성공하려면 그 물체는 반드시 빛의 속도보다 빨라야 하는데
아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 어떠한 물체라도 빛보다 빠를 수 없다.

아인슈타인은 블랙 홀에 관해 믿으려 하지 않았다.
하지만 로버트 오펜하이머Robert Oppenheimer는 1939년에 태양보다 두 배 이상 큰 별이 자체의 핵연료를 모두 소모하게 되면 필연적으로 무너질 수밖에 없음을 보여주었다.
그러나 2차세계대전이 발발하자 오펜하이머는 원자폭탄제조 연구에 관여하느라 중력적 무너짐gravitational collapse에 관한 관심을 잠시 잊고 있었다.
다른 물리학자들도 그런 우주에 대한 예언들을 우주를 관망하여 확인할 수 없었기 때문에 예언들을 신뢰하지 않았으며 그런 분야에 대한 관심을 접고 지구에 관해서만 연구에 몰두했다.
그런데 1960년대 천체 관측의 발달로 우주에 대한 학문에 큰 진전이 생겼고 그때까지만 해도 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 불확실하게 인식되고 있었는데
나와 로저 펜로우즈는 새로운 이론을 세상에 공표했다.

우리의 이론은 공간-시간이 스스로 구부러진다면 공간-시간에는 시작이 있거나 종말이 있어야 한다는 것이었다.
공간-시간은 150억 년 전에 Big Bang으로 시작되었으며 공간-시간은 별이 붕괴되거나 어느 것이라도 블랙 홀 속으로 흡수되면 종말을 고하게 된다.
이런 내용은 일반 상대성 이론으로는 예언될 수 없었고 Big Bang 때 우주가 어떻게 전개되었는가에 대해서도 말해줄 수 없는 것이었다.
그러므로 일반 상대성 이론은 완전한 이론이 못됨을 나와 펜로우즈가 세상에 공표한 것이었다.

우주가 어떻게 시작되었으며 물질이 스스로의 중력으로 붕괴되었을 때 어떤 현상이 일어나는가를 설명하는 이론이 요구되었다.
1905년 아인슈타인이 특수 상대성 이론the Special Theory of Relativity을 사용할 때 그는 현상에 관해서도 썼으며 그것을 광전의 효과the Photoelectric Effect라 한다.
아인슈타인은 각 미분자는 한 빛의 양자one quantum of light가 쇠에 닿을 때 쇠는 이에 상당하게 발산한다고 했다.
이런 이론은 양자이론Quantum Theory에 크게 공헌했으며 아인슈타인은 1922년에 노벨상을 수상했다.

아인슈타인은 이미 일반 상대성 이론으로 노벨상을 수상했어야 했지만 공간과 시간이 구부러진다는 그의 아이디어는 순수이론적이었고 논란거리였으므로 노벨상위원회가 광전효과 이론으로 그에게 상을 수여했는데
광전효과만으로도 그는 상을 수여받을 만했다.

1925년 베르너 하이젠베르그Werner Heisenberg에 의해 미분자의 정확한 위치를 측정한다는 것이 불가능하다는 점이 발표되면서부터 아인슈타인의 광전효과 이론은 온전하게 받아들여지게 되었다.
미분자가 어디에 있는가를 알려면 빛을 미분자에 비춰야만 하는데
이럴 경우 아인슈타인은 말하기를 아주 적은 양의 빛으로는 불가능하고 최소한의 일격(one packet 혹은 양자quantum라고 부른다)의 빛을 비춰야 한다.
양자의 빛은 미분자로 하여금 어느 방향으로 움직이게 한다.
미분자의 위치를 좀더 제대로 측정하려면 양자의 보다 큰 에너지를 사용해야 하며 그것은 미분자를 더욱 어지럽히게 된다.