호킹 “블랙홀은 그다지 검지 않다, 불사조도 아니다”

블랙홀은 한마디로 우주의 괴물이다. 은하계를 어슬렁거리고 돌아다니면서 주위에 있는 모든 물질들을 게걸스럽게 집어삼킨다. 그들이 하는 짓을 보면 블랙홀이란 이름에 값한다.

만약 당신이 블랙홀의 사건 지평선 안으로 미끌어진다면, 결코 다시는 바깥으로 나올 수가 없다. 거기서는 빛조차 탈출할 수 없기 때문이다.

하지만 영화에서는 무시무시한 블랙홀이 약점을 보이기도 한다. 은하계의 괴물 블랙홀도 취약점을 갖고 있다는 말이다.

1970년대에 이론물리학자인 스티븐 호킹이 중력과 양자역학이 만나는 지점의 복잡한 수학 속에 숨겨진 놀라운 사실을 발견했다. 블랙홀도 빛을 방출하며, 오랜 시간이 지나면 증발해 사라진다는 것이다. 이것은 정말 놀라운 사실이 아닐 수 없다. 천하무적 블랙홀도 죽을 수 있다는 말이니 말이다.

과연 블랙홀은 어떻게 죽는가? 호킹이 내놓은 해답은 이른바 '호킹 복사'라는 것이다. 호킹 복사란 대체 뭘까? 블랙홀도 이길 수 없는 막강한 상대인가?

일반 상대성 이론은 아주 복잡한 수학적 이론이다. 양자역학 역시 마찬가지다. 복잡한 수학과 호킹 복사 간에는 만족스럽지 못한 문제점이 약간 존재한다. 그에 대한 표준적인 설명은 다음과 같다.

먼저 '가상 입자'에 대해 알아보자. 이 가상 입자는 실제도 아니고 입자도 아니다. 입자와 힘에 관한 현대적 개념인 양자장 이론에 따르면, 어떤 종류의 입자이든 시공간에 가득한 양자장의 영향 속에 있다고 한다. 아무것도 없는 진공이라 하더라도 양자장이 가득 차 있으며, 양자 요동으로 끊임없이 가상 입자들의 쌍생성과 쌍소멸이 일어나는 역동적인 공간인 것이다.

우주의 진공은 이러한 가상입자로 가득 차 있다. 양자요동으로 인해 한 쌍의 입자들이 진공에서 에너지를 얻어 태어나는가 하면 극히 짧은 시간 동안 존재하다가 서로 충돌하여 쌍소멸한다. 진공은 이러한 가상 입자들의 탄생과 소멸로 들끓고 있는 것이다.

때로는 블랙홀의 사건 지평선 근처에서 입자와 반입자의 쌍생성이 일어난다. 그 때 발생한 두 입자 중 반입자가 블랙홀의 사건 지평선을 향해 떨어지고, 입자는 외부로 방출된다. 블랙홀로 떨어진 반입자는 블랙홀 내부의 입자와 충돌하여 쌍소멸하여, 에너지를 방출하며 질량이 감소하게 된다. 이때 블랙홀 밖으로 방출된 입자는 일반물질의 입자로서 소멸을 피하게 되는데, 이 방사선이 바로 호킹 복사다.

시간 앞에 영원한 것은 없다

호킹 복사가 일어날 경우 이 과정에서 블랙홀이 질량을 잃게 되므로, 흡수하는 질량보다 잃는 질량이 많은 블랙홀은 점점 줄어들다가 결국 증발되어 사라질 것으로 예상된다.

이론에 따르면, 블랙홀은 작으면 작을수록 더 많은 열복사를 방출하는 것으로 알려져 있다. 블랙홀도 이렇게 빛을 방출하는 것으로 보인다. 그래서 가상입자 쌍을 분리해 그중 하나를 일반입자로 변화시킴으로써 ​자신의 질량을 서서히 잃어간다.

물론 이런 복사로 블랙홀 하나가 완전히 증발하는 데는 거의 영겁에 가까운 시간이 흘러야 할 것이다. 그래도 어쨌든 불랙홀도 불사는 아니란 사실이 중요하다. 블랙혹도 결국엔 죽는다. 그래서 호킹은 '블랙홀도 그다지 검지는 않다'고 말했다.

어쨌든 이런 식으로 블랙홀도 해체될 수 있다는 것이 현재까지의 연구 결과다. 그러나 해체되기까지는 엄청난 시간이 걸린다. 태양 질량만한 블랙홀이 완전히 증발하는 데는 무려 10^67(10의 67승)년이 걸린다.

우리 우주의 나이는 고작 10^10(10의 10승, 100억)년 남짓 정도임을 비추어볼 때, 이렇게 어마어마하게 긴 시간 동안을 버틸 수 있는 물질이 현실세계에 존재한다는 것이 참으로 신기한 일이다. 만약 에펠탑을 블랙홀 방식대로 증발시킬 수 있다면 단 하루 만에 사라지고 말 것이다. 이것이 인간세상과 우주의 차이라고 이해해야 할까?

어쨌든 블랙홀도 죽음을 피할 수는 없다. 시간 앞에 영원한 것은 없다. 블랙홀의 증발 정도는 그 질량이 작을수록 빨라진다. 처음에는 천천히 증발하다가 오랜 시간이 지나면 질량이 감소하는 정도가 심해지고 증발 속도는 점차 빨라진다. 그러다가 이윽고 소멸 단계에 이르면 거의 폭발하다시피 격렬한 증발로 소멸할 것으로 예측되고 있다. 하지만 그것을 볼 수 있는 사람은 결코 없을 것이다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com