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호킹의 빅 퀘스천에 대한 간결한 대답
스티븐 호킹 지음, 배지은 옮김 / 까치 / 2019년 1월
평점 : 
인간의 능력과 한계 극복을 스티븐 호킹(1942.1~2018.3) 만큼 극적으로 보여준 인물도 드물다. 그는 스물한 살 때 5년밖에 살지 못할 거라는 시한부 판정을 받았지만 불편한 몸에 굴하지 않고 일흔여섯 살이 될 때까지 탐구에 매진했고, 블랙홀이 엔트로피를 가지고 있음을 증명해 물리학의 난제인 양자이론과 상대성 이론을 결합하는 ‘양자중력 법칙’의 단초를 제공했다. 놀라운 천재였지만 그는 우리가 과학자에게 흔히 가지는 차가운 이미지도 아니었다. 책 말미에 루시 호킹의 추모글에서 보듯 그는 가정적인 아버지였고 책 여러 군데서 확인할 수 있는데 가장의 역할을 열심히 하려는 아버지였다. 몸이 점점 마비되는 병을 앓았지만 그 몸속에서도 우주를 인간의 미래를 내다보았던 그는 인간 슈퍼맨이었다. 죽음의 위협을 매 순간 느꼈기에 그는 시간의 탄생과 죽음을 더 알고 싶었던 거였는지도 모르겠다. 죽음을 목전에 둔 그는 이 책을 쓰며 평생 연구한 과학의 질문이기도 한 빅 퀘스천에 대한 대답을 모았다.
1. 신은 존재하는가?
신이 모든 것을 만들었다는 인식의 원인에 대해 호킹은 “종교가 위안을 주기 때문이기도 하고, 사람들이 과학을 믿지도 이해하지도 않기 때문”이라고 말한다. “신의 마음을 안다는 것은 자연의 법칙을 아는 것이다”라고 말했지만 호킹과 아인슈타인의 ‘신(God)’은 ‘비인격적 의미의 자연법칙’이다. 우주를 이해하기 어려워 우리는 신(설계자)을 만들어 쉽게 해결 보려는 것은 아닐까. 우주를 설명하기 위해 굳이 신의 존재를 설정할 필요가 없다는 걸 아인슈타인의 방정식 E=mc2가 보여준다. 질량을 에너지로 그 반대로도 생각할 수 있으므로 에너지와 공간과 있으면 우주는 탄생한다. 그것은 빅뱅이라는 사건으로 만들어졌다. 인과적 사고로 빅뱅의 원인을 또 따질 텐데, 미시 세계를 설명하는 양자역학으로 보면 “자연의 법칙은 우주가 양성자처럼 외부 도움 없이 혼자 튀어나와 존재할 수 있고, 에너지 측면에서도 아무것도 필요로 하지 않을 뿐 아니라, 빅뱅의 원인 그 자체도 없을 수 있다.” “빅뱅 이전에는 시간은 존재하지 않았고 따라서 신이 우주를 만들 시간도 존재하지 않았다. 이것은 마치 지구의 가장자리로 가는 방향이 어디냐고 묻는 것과 마찬가지이다.”
2. 모든 것은 어떻게 시작되었는가?
호킹은 아리스토텔레스, 데카르트, 칸트 등 거의 모든 사람들이 우주가 영원하다고, 시간이 절대적이라고 가정한 게 오류라고 지적한다. 1915년 아인슈타인의 일반상대성이론이 그것을 깼다. “이 이론에서는 공간과 시간은 더 이상 절대적이지도, 사건의 고정된 배경도 아니다. 공간과 시간은 우주의 물질과 에너지에 의해서 형태를 가지게 된 역동적인 양이다. 시간과 공간은 오직 우주 안에서만 정의된다. 따라서 우주가 시작되기 전의 시간을 논하는 것은 아무 의미가 없다.”
우주가 영원히 존재해왔다거나, 항상 같은 모습으로 보일 것이라고 예측한 정상우주론(1948, 헤르만 본디 & 토머스 골드 & 프레드 호일)을 제시한 이론가들처럼 우주에 시작이 없었다고 주장하거나, 우주의 기원은 과학의 영역이 아닌 형이상학이나 종교의 영역에 속한 문제하고 주장하면서 많은 이들이 이 문제를 회피하고 있었다. 호킹은 진정한 과학자라면 그런 태도를 취해서는 안된다며 무너지지 않는 과학 법칙을 찾고, 우주의 기원을 이해하려면 아인슈타인의 일반상대성이론에 불확정성 원리를 포함해 이해하는 도전이 필요하다고 말한다. 현재 물리학은 아인슈타인의 일반상대성이론과 파인먼의 다중 역사 개념을 결합시켜 완벽한 통일 이론을 만들기 위해 연구 중이다. 추가적으로도 우주의 경계면, 즉 공간과 시간의 가장자리에서 무슨 일이 있는지 알려주는 경계조건의 이해도 요구된다.
우주의 미래나 다양한 우주의 가능성은 우주 안의 물질의 양에 좌우된다. 물질이 특정한 임계량보다 많으면, 은하들 사이의 중력이 잡아당기면서 팽창을 늦출 것이고 그 결과 한 군데로 모이는 빅 크런치(Big Crunch)가 일어날 것이고, 우주 밀도가 임계치보다 작으면 중력이 약해져 우주가 서로 멀리 떨어져 날아가게 되고 우주는 점점 더 텅 비어가고 점점 더 차가워지는 빅뱅(Big Bang)으로 종말을 맞을 것이다. 이런 상황에서 “우리는 호두껍질 안에 묶여 있으면서도 무한한 우주의 왕이라고 자처”하는 햄릿처럼 살고 있다.
3. 우주에는 다른 지적 생명체가 존재하는가?
일반적으로 ‘생명’은 “탄소 원자들의 사슬 기반에 질소나 인 같은 몇몇 다른 원자가 붙어 있는 형태이다.” 생물은 생명을 유지하고 개체를 복제하도록 개체에게 지시하는 명령들(유전자)과 그 명령을 수행하는 메커니즘(신진대사)로 존재한다. 기계의 도움을 많이 많았던 영향인지 호킹은 전자 기반의 생명으로 컴퓨터 바이러스도 생명체로 간주해야 한다고 말한다. “우리는 진화의 필연적 결말이 지적 생명체라고 생각하는 경향이 있지만”, 지능은 수많은 가능한 결과들 중 하나일 뿐이고 지능이 오래 살아남을 가치가 있는지조차도 불분명하다. 지구 위의 모든 생물이 멸종하더라도 박테리아와 단세포 유기체들은 살아남을 것이라는 걸 상기하라. 호킹은 여러 가능성 중 “저 바깥에 다른 형태의 지적 생명체가 존재하고 있지만, 우리가 보지 못하고 간과”했다는 데 무게를 둔다.
4. 우리는 미래를 예측할 수 있는가?
라플라스(1749~1827)가 제안한 고전적 견해에서는 어느 시점의 입자의 위치와 속도를 알면 입자의 미래의 행동이 완벽하게 결정되었다. 이 견해는 입자의 위치와 속도를 둘 다 정확히 알 수 없다는 하이젠베르크의 불확정성 원리가 세상에 나오면서 수정되어야 했다. 지금 상황에서는 입자의 위치와 속도를 예측할 수 있는 것이 아니라 파동함수만을 예측할 수 있으므로 절반밖에 예측할 수 없다는 게 된다. 위치와 속도의 조합의 형태로 예측할 수 있다 하더라도 중력이 시공간을 휘게 하여 관측할 수 없는 공간의 영역(블랙홀)이 존재한다. 내부의 입자 관측, 입자의 위치와 속도도 전혀 측정하지 못하는 블랙홀을 고려하면 어쩌면 이 제한된 예측 가능성마저도 사라질 수도 있다. 물리적으로도 중력이 붕괴되어 밀도가 무한대가 되는 블랙홀에서는 미래를 예측할 수 없다. 현실이 블랙홀같이 느껴지는 게 이 설명을 들으니 더 이해되는 듯도-_-;
5. 블랙홀 안에는 무엇이 존재하는가?
붕괴된 별의 잔여물로 불리던 ‘얼어붙은 별(frozen star)’은 존 미첼에 의해 지금의 블랙홀의 과학적 특성으로 1783년 처음 논의되었다. 존 미첼은 dark star라고 불렀다. ‘블랙홀(black hole)’이라는 이름은 1967년 존 휠러에 의해 명명되었고 지금까지 이어졌다. “블랙홀 안에 무엇이 있는지 알 수 없다. 그 안에 무엇을 던져 넣든, 또는 블랙홀이 어떤 과정으로 만들어졌든, 블랙홀은 항상 똑같아 보인다. 존 휠러는 이 원리를 ‘블랙홀에는 머리카락이 없다(A black hole has no hair)’는 말로 표현한 것으로 유명하다.”
블랙홀을 이해하기 위해서는 중력에서부터 출발해야 한다. 중력은 알려진 자연의 힘들(전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력, 중력) 중 가장 약한 힘이지만 다른 힘들에 비해 결정적인 두 가지 장점이 있다. 중력은 먼 거리에서도 작용하고 항상 당기는 힘만 있다. 이 두 가지 특징으로 인해서 크기가 큰 별의 입자들 사이의 중력이 다른 힘들 모두를 압도하여 붕괴로 이어지고 그렇게 블랙홀이 탄생한다. 아인슈타인은 1939년 논문에서 물질이 특정 크기 이하로 수축될 수 없기 때문에 중력에 의해서 별들이 붕괴될 수 없다고 했지만 미국의 과학자 존 휠러는 달랐다. 1950~1960년대의 여러 연구에서 별이 수축하는 특이점(singularity) 즉 별의 중력 붕괴 현상을 파악할 실험과 관찰 결과를 얻게 되었다.
블랙홀의 경계(사건지평선)는 중력이 매우 강해서 빛조차도 안으로 끌어당긴다. 질량이 크고 무거운 블랙홀이 아니라면 사건지평선에 도달하기도 전에 모든 것은 찢겨 나간다. 그러나 블랙홀에서 아무것도 탈출할 수 없을까. 제이콥 베켄슈타인은 블랙홀이 질량, 전기전하, 각운동량의 성질을 가지고 있는 만큼 유한한 엔트로피를 가지고 있다고 제안했다. 이를 바탕으로 호킹은 블랙홀이 보통의 뜨거운 물체처럼 입자와 복사를 만들고 방출한다는 걸 계산했다. 호킹 온도, 호킹 복사 같은 용어도 여기서 유래한다. 아인슈타인의 위대한 업적 상대성이론이 노벨상을 못 받은 것처럼 호킹의 이 이론도 안타깝게도 그가 살아 있을 때 실험이나 관찰로 증명되지 않아 그는 노벨물리학상을 못 타게 되었다. 그러나 그의 이론의 업적은 누구도 부정할 수 없다.
(이 장의 내용은 스티븐 호킹 『스티븐 호킹의 블랙홀』(2018, 동아시아)에서 더 자세히 볼 수 있다)
6. 시간 여행은 가능한가?
과거 2000년이 넘는 세월 동안 유클리드 기하학의 공리는 자명한 것으로 여겨졌고, 이 공리들의 결론 중 하나는 삼각형의 내각의 합이 180도라는 것이었다. 그러나 공간이 휘어지는 비유클리드 기학의 세계에서는 삼각형 내각의 합이 꼭 180도이지 않다. 1854년 독일의 수학자 베른하르트 리만은 휘어진 공간을 설명하는 방법을 개발했지만 빛을 보지 못했다. 휘어진 공간과 시간에 대한 설명은 아인슈타인의 일반상대성이론이 발표되면서 빛을 보았다. “실제로 태양 가까이 스쳐 오는 빛이나 전파가 아주 살짝 휘는 현상을 통해서 태양의 질량에 의한 시공간의 힘을 관찰할 수 있다.” 아인슈타인은 빛보다 빠르게 날아갈 수 없기 때문에 과거로의 시간 여행은 불가능하다고 보았지만, 괴델이나 끈 이론가의 논리에서는 “시공간 곡선이 다시 자기에게 휘어져 들어와 과거로의 시간 여행이 가능하다고 가정한다. ”시간 여행이 가능한가 하는 문제는 결국 과거로 갈 수 있도록 시공간을 휘어지게 할 수 있는가 하는 문제”다. 영화 <인터스텔라>에서 구현되었듯이 공간 안의 한 점에서 다른 점으로 빠르게 이동할 수 있는 방법은 시공간을 물질이 휘어지게 하는 것과는 반대 방향으로 휘게 하여 작은 관(웜홀)을 만드는 것이다. 미래에서 온 관광객이 넘쳐나지 않는 이 현실을 보자면 시간 여행은 오로지 미래에서만 일어날 수 있는 것 같다. 자신이 태어나기 전에 부모님을 죽이는 패러독스를 해결할 두 가지가 있다. 결정론적인 ‘일관된 역사 접근법’으로 보면 테드 창 「당신 인생의 이야기」, 영화 <콘택트>가 이해된다. 리처드 파인만 ‘역사 총합’ 개면에서 나온 ‘대안 역사 접근법’은 물리학자 데이비드 도이치가 지지한 가설이고 <백 투 더 퓨처> 영화 제작자가 가진 생각이었다. 우주는 가능한 모든 역사를 전부 가지고 있으며, 역사들은 각자의 확률로 일어난다는 이론이다. 호킹은 물리학 법칙은 거대 규모의 시간 여행을 가로막는 쪽으로 흘러가는 것 같다고 말하며, ‘일관된 역사 접근법’을 지지하는 ‘연대기 보호 가설’을 제시한다. M 이론에 아직 희망이 있으니 시간 여행이 좌절되었다고 슬퍼하지 말라고 당부하면서.
7 & 8 우리는 지구에서 살아남을 것인가 & 우리는 우주를 식민지로 만들어야 하는가
과거의 역사에서는 떠날 수 있는 신세계가 있었다. “그러나 이제는 더 이상 신세계가 없다. 우리 인근에 유토피아는 없다. 우리가 가진 공간을 다 썼고 이제 갈 수 있는 곳은 다른 세상뿐이다.” 지금과 같이 지구 환경오염에 무관심하다면 온실 효과와 지국 온난화로 지구는 곧 황산 비가 내리는 섭씨 250도의 금성이 되는 건 시간문제다. 1997년 국제 협약인 교토의정서 이상의 행동을 전 세계가 나서야 한다. 핵폭탄으로 서로를 견제하는 평화 같은 건 환경에서는 결코 바랄 수 없다. 호킹은 앞으로 1,000년 안에 핵 대치나 환경 재난으로 지구가 심각하게 손상을 입을 것이라 예상한다.
내부 문제만이 아니더라도 우리는 다른 우주 탐험을 감행해야 한다. “우리는 소행성 충돌에 대해서 전혀 방어할 방법이 없다. 소행성이 지구와 마지막으로 충돌한 때가 약 6,600만 년 전이었고, 그 충돌로 인해 공룡이 멸종했다고 여겨진다. 소행성 충돌은 또 일어날 수 있다. 지금 이 이야기는 과학소설에 나오는 이야기가 아니다. 물리와 확률의 법칙이 보증하는 내용이다.” 우주 식민지 정복이라는 둥 빈정거림을 보기도 하는데, 자신이 음모론에 심취하고 있진 않은지 점검해보길 바라고 자기 외의 미래를 생각할 줄 안다면 그런 말을 삼가는 것이 좋겠다.
9. 인공지능은 우리를 능가할 것인가?
과학자답게 호킹은 인공지능에 대한 막연한 우려보다 제어 조건 설정에 더 신경을 쓰는 게 눈에 띈다. 인간의 지능이 진화를 통해 발전된 만큼 인공지능도 인간의 도움 없이 스스로를 계속 개선할 여건이 된다면 이미 몇몇 부분에서도 그렇듯 인간을 능가하리란 건 명약관화하다. 우려스러운 사태가 일어나지 않게 컴퓨터가 우리와 일치하는 목표를 가지도록 신중을 기해야 할 것이다. 김민형 『수학이 필요한 순간』을 보면 일명 트롤리 문제를 자율 주행 자동차에 입력하고 있다고 밝히고 있다. 윤리라는 형이상학적 문제를 구조화, 모델화하여 알고리즘으로 만들어내는 과정이 더 치밀해져야 한다.
“AI의 단기적 영향력은 누가 통제권을 가지느냐에 달려 있는 반면, 장기적 영향력은 그것이 애초에 통제될 수 있기는 한 것인지에 달려 있다.”
“초고도 지능을 가진 AI의 출현은 인류에게 일어난 사건들 중 최고의 또는 최악의 사건이 될 것이다. AI의 진짜 위험성은 적개심이 아니라 일처리 능력이다. 초고도 지능의 AI는 자신의 목표를 달성하는 데에 극단적으로 능숙할 텐데, 만일 AI의 목표와 인간의 목표가 일치하지 않는다면 우리는 곤란한 지경에 처하게 될 것이다.”
10. 우리는 미래를 어떻게 만들어가야 하는가?
이 장은 앞서 나왔던 내용들의 종합이다. 아인슈타인처럼 상식을 깨는 아이디어를 추구하는 용기를 발휘할 것, 사람이 거주할 수 있는 대안 행성을 찾아 우주 탐사를 열심히 할 것, 우리가 사는 세상을 개선하기 위해 긍정적으로 인공지능을 사용할 것 이 세 가지가 주요 권유 사항이다.
몸이 완전히 마비되어 얼굴 근육 몇 개만 간신히 움직일 수 있는 일흔다섯의 나이에도 매일 아침 일하러 나갔다는 스티븐 호킹. 작은 일로도 일상이 크게 흔들리는 내게 호킹은 뛰어난 천재성보다 인간 의지의 힘을 더 느끼게 하는 사람이다. 호킹은 수학을 우주 자체의 청사진으로서 생각할 수 있도록 해 준 선생님이 중요한 스파크였다고 했는데, 공부가 힘들 때 호킹의 책을 읽으면 정말 생각의 스파크가 일어난다. 호킹은 누구에게나 빅 퀘스천에 도전할 용기를 주는 사람이다.
