우주의 비밀을 볼 수 있는 창, 블랙홀

블랙홀의 사생활 - 블랙홀을 둘러싼 사소하고 논쟁적인 역사
마샤 바투시액 지음, 이충호 옮김 / 지상의책(갈매나무) / 2017년 10월

우주는 과연 무한히 넓을까. 또 우주는 영원히 계속될까, 아니면 시작과 끝이 있을까. 이러한 의문 속에 수많은 세월 동안 우주를 이해하는 데 많은 발전이 있었다. 가장 분명한 것은, 우주는 끝없이 펼쳐져 있다는 것이다. 우주에는 다양한 모양과 크기를 가진 무수히 많은 은하계로 구성되어 있다. 모든 은하는 우주 전체에 골고루 퍼져 있다. 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 모든 은하가 각자의 은하들로부터 멀어지고 있다는 사실을 입증했다. 허블은 ‘팽창하는 우주’를 제시하여 오랫동안 지배해온 ‘고정된 상태의 우주’ 관념을 완전히 붕괴시켰다.

과학자들은 우주의 발생과 진화를 연구하는 데 매달렸고, 그 결과 빅뱅(big bang) 이론 등이 정립됐으며 지금은 우주의 신비를 한 가지 이론으로 설명하기 위한 통일이론 연구가 진행 중이다. 빅뱅은 우주가 팽창하기 직전의 상태, 즉 시작점이다. 태초의 우주가 폭발하면서 발생한 에너지는 지금도 우주를 끊임없이 팽창시키고 있다. 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 일반 상대성 이론을 이용하여 블랙홀(black hole)의 실체를 알아내려고 했다. 그의 연구 결과에 따르면, 최초의 우주는 큰 폭발과 함께 풍선처럼 팽창해가고 있는 상태다. 블랙홀의 폭발은 또 하나의 작은 우주의 시작, 즉 ‘미니 빅뱅’이라고 볼 수 있다. 결과적으로 호킹의 연구는 우주의 시작인 빅뱅과 별의 종말인 블랙홀이 같은 현상임을 밝혀낸 것이다.

강한 중력은 공간을 변형시킨다. 엄청난 중력의 블랙홀은 공간에 깊은 구멍을 만들고, 빛조차도 깊이 파인 공간으로 빨아들인다. 상대성 이론이 증명된 것도 빛이 강한 중력의 태양을 지나가면서 휘는 현상을 목격한 덕분이다. 그런데 아인슈타인(Einstein)은 생전에 ‘특이점(singularity)’이라고 부르던 블랙홀의 실체를 부정했다. 상대성 이론은 양자역학, 우주론 등과 함께 현대 물리학의 가장 중요한 핵심 이론이다. 그러나 상대성이론이 본격적으로 재평가하기 시작한 1950년대 이전까지만 해도 상대성이론은 양자역학에 밀려나 찬밥 신세가 되었다. 블랙홀의 실체가 규명되기 전까지 물리학자들은 상대성 이론과 우주를 연관시키는 연구에 거의 관심을 두지 않았다.

“도대체 블랙홀이 뭔가요? 그게 그렇게 중요한가요?” 블랙홀은 어떻게 생겨난 것이며 그 안에는 무엇이 있는지 궁금한 사람들이 많을 것이다. 어린아이의 입에도 오르내리는 블랙홀은 그 인지도에 비교해 잘못 알려진 부분이 많다. 우선 블랙홀이라고 하면 ‘우주에 뚫려 있는 거대한 구멍’ 쯤으로 생각하기 쉽다. 또 블랙홀이 눈에 보이지 않아서 상상이나 이론상으로만 존재하는 가상공간으로 여기기도 한다. 블랙홀 자체를 볼 수 없어도 블랙홀의 윤곽을 확인할 수 있는 연구 결과들이 나오고 있다. 그런데도 블랙홀은 사람들의 과학 상식에 휑하게 뚫려 있는 구멍 같은 이름으로 남아 있다. 《블랙홀의 사생활》은 과학 상식의 큰 구멍 하나를 메워주는 아주 좋은 책이다.

블랙홀을 제대로 이해한다면, 우주의 본질을 한 자락쯤은 볼 수 있을 것이다. 《블랙홀의 사생활》은 바로 이 점에서 출발한다. 너무나 흔해서 대충 알고만 있었던 블랙홀의 의미를 누구나 알 수 있는 이야기로 들려준다. 그래서 저자는 이름만 그럴싸한 개념을 누구나 이해할 수 있는 상식이라는 점을 보여주기 위해 역사를 끌어들인다. 저자를 따라 사소한 과학사의 현장을 돌아다니다 보면 블랙홀을 밝혀내기 위해 시행착오를 거친 과학자들의 노력과 고통에 공감하게 된다.

블랙홀은 1783년 존 미첼(John Mitchell)이 빛조차도 빠져나올 수 없을 정도로 강한 중력장을 가진 별을 상상하면서 탄생했다. 하지만 그 당시 사람들은 별이 죽고 사라지는 ‘부재’를 쉽게 받아들이지 못했다. 별이 죽어 블랙홀이 탄생한다는 기초적인 상식은 찬드라세카르(Chandrasekhar)와 오펜하이머(Oppenheimer) 덕분에 밝혀졌다. 그러나 물리학계와 천문학계에 ‘짬밥’이 높은 아인슈타인과 아서 에딩턴(Arthur Eddington, 일식을 관측하여 일반 상대성이론을 증명한 영국의 천문학자)은 각각 오펜하이머, 찬드라세카르의 주장을 무시하거나 반박했다. 일반 상대성이론이 재평가 받고 나서야 블랙홀을 이론적으로 설명할 수 있게 됐지만, 아이러니하게도 아인슈타인과 에딩턴은 거기까지 내다보지 못했다.

이 책을 통해 독자들은 블랙홀을 이해하기 위해 애쓴 수많은 과학자를 만나고 그들의 인간적인 면모를 보게 된다. 우리는 ‘인간’이기 때문에 질투하고, 상대방을 배신하고, 어리석은 행동을 한다. 과학자들도 예외가 아니다. 아인슈타인은 최신 과학 문헌을 참고하지 않는 보수적인 학자였고, 양자역학의 등장에 자신의 상대성이론이 ‘구닥다리’로 취급받는 상황을 지켜보면서 서운함을 감추지 못했다. ‘천문학계의 대사제’로 군림한 에딩턴은 백색왜성의 붕괴(블랙홀의 발생 과정을 설명할 수 있는 근거가 되는 현상)를 설명한 찬드라세카르의 주장을 공개적으로 비판했다. 에딩턴은 찬드라세카르의 연구에 조금이나마 도움을 줬지만, 찬드라세카르의 연구논문이 공개되자마자 맹렬히 그를 공격했다. 에딩턴의 ‘우디르급 태세 전환’은 젊은 과학자의 마음에 상처를 준 ‘최악의 배신’이었다.

《블랙홀의 사생활》은 간단한 상상력 하나가 가장 복잡한 우주 현상으로 설명되는 과정을 기나긴 발견의 역사를 통해 보여주고 있다. 그런 면에서 이 책은 우주과학 역사 200년을 아우르는 블랙홀의 전기(傳記)라고 할 수 있다. 이 책을 읽으면 블랙홀의 ‘무(無)’가 비어있는 상태가 아니라 우리가 알지 못하는 무언가로 가득 채워져 있으며, 우주를 만들어내는 원천이라는 것을 깨닫게 된다. 따라서 블랙홀의 발견은 ‘무’에 대한 인식 전환의 역사라고 할 수 있다. 블랙홀은 우주의 비밀을 들여다볼 수 있는 창(窓)이다. 우리는 지금 확실히 우주의 창을 열고 있다. 이 과정을 통해 또다시 우주의 새로운 모습을 볼 수 있을 것이다.