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대본
블랙홀은 우주에서 가장 강력한 존재입니다.
별 전체를 원자 크기로 찢어 버릴만큼 강력합니다.
이런 사실도 충분히 무섭지만, 이보다 더 강력하고 어두운 특징도 있습니다.
블랙홀은 우주 그 자체를 삭제해 버릴지도 모릅니다.
간단히 알아보는 블랙홀
블랙홀은 어마어마한 양의 물질이 아주 작은 공간에 집중되어 있을 때 생깁니다.
블랙홀의 중심에서는 중력이 거의 무한대로 강력하며,
근처에 다가가는 어떤 물체도 소립자 단위로 쪼개 버립니다.
빛조차도 블랙홀을 탈출할 수 없기 때문에, 우리는 블랙홀을 암흑의 구형 물체로 인지합니다.
만약 당신이 블랙홀로 떨어진다면, 아무 일도 일어나지 않을 겁니다.
블랙홀의 외부 경계인 “사건의 지평선"을 경계를 건너기 전까지는요.
거대한 폭포로 끝나는 강을 헤엄친다고 상상해 보세요.
강물에 떠서 가는 동안, 물살은 점점 더 빨라집니다.
아직 폭포는 보이지 않지만요.
당신은 계속 안전히 헤엄칠 수 있습니다. 눈치채지 못하는 사이, 돌아갈 수 없는 지점을 건너기 전까지는요.
여기서부터는 아무리 빨리 헤엄치려 노력해봤자, 순간적인 죽음을 향해 끌려 갈 것입니다.
가까이 다가가는 순간, 그 어떤것도 “블랙홀 폭포"를 벗어날 수 없습니다.
이 경계는 블랙홀과 나머지 우주 전체를 완벽하게 분리합니다.
영원히 돌아가지 않을 마음이 없다면, 우리는 블랙홀에 근접할 수 없습니다.
따라서 블랙홀 내부에서 일어나는 일들은 알 도리가 없습니다.
하지만, 블랙홀 가장자리에서 관해서는 몇 가지 이론들이 있지요.
블랙홀은 자신의 질량을 방출합니다.
마치 증기를 통해 물을 점점 잃고 있는 뜨거운 냄비와 같습니다.
이것을 “호킹 복사(radiation)“라고 부릅니다.
블랙홀은 끊임없이 아주 적은 양의 질량을 잃습니다.
그리고 이 과정은 믿을 수 없을만큼 느립니다.
태양과 같은 질량의 블랙홀이 있다면, 1만x10억x10억x10억x10억x10억x10억 년이 지나야만
겨우 0.0000001%의 질량을 잃게 될 것입니다.
이 현상은 끊임없이 일어나며, 멈출 수 없습니다.
그리고 가면 갈수록 더 빠르게 일어납니다.
아주 머나먼 미래에, 우주의 마지막 별이 죽은지 수 조년이 지났을 때
블랙홀은 점점 더 작아져서 증발한 후 사라질 것입니다.
그리고 약간의 방사선만 남겠지요.
문제는 바로 이것입니다. 블랙홀이 소멸하면서, 우주의 근간을 지워버릴지도 모르기 때문입니다.
그것은 바로 “정보"입니다.
“정보"란 무엇일까?
정보는 만질 수 있는 것이 아닙니다.
정보는 입자의 배열을 나타내는 속성을 뜻합니다.
이게 무슨 뜻일까요?
여러 개의 탄소 원자들을 한 번 상상해 봅시다.
원자들을 특정 방식으로 배열하면 석탄이 됩니다.
이 입자들을 또 다른 방식으로 배열하면 다이아몬드가 됩니다.
원자는 똑같습니다. 바뀌는 것은 정보뿐입니다.
좀 더 복잡하게 배열하면서 다른 원자들을 추가하면, 바나나를 얻을 수 있습니다.
다시 원자들의 배열을 바꾸면, 다람쥐가 됩니다.
우주에 존재하는 모든 것들의 기본 구성요소는 똑같습니다.
이 요소들은 자기가 새가 되든지 돌, 혹은 커피가 되든지 말든지 신경쓰지도 않습니다.
정보가 없다면 우주의 모든 것들은 똑같아 질 것입니다.
양자 역학 이론에 따르면, 정보는 절대 파괴될 수 없습니다.
형태는 바뀔 수 있지만, 절대 사라지지 않습니다.
예를 들어, 당신이 종이 하나를 태운다면 재가 되겠죠.
이 재는 다시 종이가 될 수 없습니다.
다만, 당신이 재 속에 들어있는 모든 탄소 원자 하나 하나를 조심스레 모으고
불에서 방출된 연기와 열의 속성을 정확히 측정한다면, 이론적으로 다시 종이를 만들 수 있습니다.
종이의 정보는 여전히 우주에 존재합니다.
사라진 게 아니라, 해석하기 어려울 뿐입니다.
만약 어떻게든 우주에 있는 모든 원자와 입자 그리고 방사선파를 측정할 수 있다면
당신은 모든 정보를 보거나 추적할 수 있습니다.
가설로는 빅뱅까지 이르는 우주의 모든 역사를 볼 수도 있습니다.
여기서, 블랙홀이 우리의 여행을 돕습니다.
정보는 한 물체가 다른 물체와 어떻게 다른지 알려주고, 과거에 무엇이었는지 알려줍니다.
블랙홀은 그 반대의 일을 합니다.
블랙홀은 다른 것들을 흡수하여 똑같이 만들어 버립니다.
즉, 블랙홀은 정보를 파괴합니다.
이는 정보의 역설이라는 심각한 문제를 야기합니다.
정보의 역설
“정보는 사라질수 없다"라는 명제는 물리학의 기반입니다.
“존재하는” “존재하지 않는”, 정보가 없다면 이 모든것은 상대적인 것입니다.
현실을 이해하기 위해서는 절대적인 무언가가 필요합니다.
어떻게 이 역설을 해결할 수 있을까요?
몇 가지 가설들을 소개합니다.
- 정보는 사라질 수 있다. 불가역적으로, 그리고 영원히.
이것이 사실이라면, 우리는 지금 존재하는 물리학 법칙을 새로 고쳐야 합니다.
지금까지 잘 작동했던 모든 이론을 다 버리고 ,처음부터 다시 시작해야 합니다.
새로운 전제로 만들어진 새 물리학 법칙은 어떤 것들일까요? 그리고 우리에게 어떤 의미일까요?
아무도 모릅니다.
이것은 좀 무섭지만, 또 신나는 일이기도 합니다.
- 정보는 숨겨져 있다.
블랙홀의 일부분이 갈라져 나와 아기 우주를 만드는 것일지도 모릅니다.
정보는 이 새롭고 이상한 장소로 그대로 옮겨집니다.
그리고 이곳은 절대 관찰할 수도 상호작용할 수도 없습니다.
다만 엄밀히 말해 정보는 사라지지 않겠죠.
마치 가족 사진이 모두 담겨있는 고장난 하드 드라이브를 가지고 있는 것과 같습니다.
절대 접근할 수는 없지만. 물론, 삭제되지 않고 남아있는 것은 좋지만,
도움은 전혀 되지 않습니다.
또는 블랙홀이 수명을 다한 후 완벽히 사라지지 않을 수도 있습니다.
“정보의 다이아몬드"라는 작은 물체를 남겨놓을 수도 있지요
무한한 양의 정보의 광대로 채워진 광대 자동차처럼요.
세 번째 가능성도 있습니다. 정보가 사라지지도 숨겨져 있지도 않다면?
여태껏 우리가 잘못 생각했을지도 모릅니다.
블랙홀이 정보를 가두고 나중에 삭제할지도 모른다는 가능성은 알고있습니다.
그러나 블랙홀이 그동안 정보들을 가지고 무엇을 할 지에 대해서는 생각해보지 않았습니다.
블랙홀은 정보를 어디에다가 저장하는 것일까요?
우주의 가사노동
더러운 세탁물로 된 블랙홀을 만들어 봅시다.
먼저 세탁바구니로 방을 채웁니다. 더 많은 세탁물을 저장하고 싶으면 바구니를 더 넣습니다.
그러나 어느 순간, 모든 바구니가 가득 차고 방도 꽉 찼습니다.
양말 하나도 더 들어갈 수 없습니다. 방의 수용능력이 최대에 달했습니다.
여기서 어떻게든 양말을 에너지를 투입해 구겨 넣는다면 방은 안으로 붕괴하여 블랙홀을 형성합니다.
방의 수용 능력은 변하지 않았습니다.
더 많은 물체나 정보를 채워넣는 것은 여전히 불가능합니다.
여기에 더 많은 세탁물을 던져 넣으면 어떻게 될까요?
방 자체가 새로운 정보를 담기 위해 약간 커집니다.
우리가 정보를 던져 넣을 때마다, 블랙홀은 아주 작은 픽셀로 커집니다.
간단히 말해서, 더 많은 정보는 더 큰 표면적을 의미합니다.
정보는 표면에 표시되는데, 이는 웅덩이에 돌을 던지는 것과 비슷합니다.
돌이 바닥에 가라앉으면 돌은 더 이상 보이지 않지만,
웅덩이 표면의 물결을 통해 무언가가 들어갔다는 건 알 수 있습니다.
가장 작은 블랙홀조차, 표면에 인류역사 전체에서 생산된 정보보다 많이 저장할 수 있습니다.
정보를 아주 작은 픽셀의 한 형태로 저장함으로서 가능한 것입니다.
(이 가정에서는) 블랙홀이 궁극적인 하드 드라이브입니다.
이것은 종이 책을 전자도서로 바꾸는 것과 흡사합니다.
전혀 다르게 생긴 두 물체이지만, 안에 들어있는 내용은 같습니다.
암호화 해서 저장하는 방법만 다를 뿐입니다.
블랙홀이 항성과 행성들을 삼키는 것은
도서관 전체의 정보를 e북 리더기에 옮기는 것과 같습니다.
이 해결책을 홀로그램 원리라고 불립니다.
만약 이것이 사실이라면, 우주와 관련한 현재의 모든 지식은 틀린 것이 됩니다.
이 가정 하에서, 우주는 홀로그램입니다.
만약 정보가 블랙홀의 경계에 저장된다면
앞서 말한 호킹 복사를 통해 그곳에 암호화된 정보를 얻어서 운송할 수 있습니다.
따라서 정보는 블랙홀이 사라져도 그대로 있게 됩니다.
정보의 역설이 해결되었습니다!
그러나 여전히 우주에 대해 우리가 알고 있는 것은 근본적으로 변합니다.
블랙홀에 떨어지는 모든 것이 사건의 지평선에 저장된다면
3차원의 존재가 평평한 표면에 암호화된다는 것을 의미합니다.
이것은 홀로그램의 정의와 일치합니다.
홀로그램은 3D사진과 같습니다.
평평한 플라스틱 조각이 3차원 이미지를 암호화하고 있는 것이지요.
이런 면에서 블랙홀은 홀로그램과 같습니다. 내부의 모든 것이 사건의 지평선에 암호화되어 있기 때문입니다.
블랙홀 안에 있는 사람은 평소의 3차원적 세계를 경험할 것입니다.
하지만 밖에있는 우리가 보기에는, 이 사람은 블랙홀 표면의 평평한 이미지일 뿐입니다..
이는 우리의 직관에 어긋납니다. 하지만 잠시만 기다려 보세요.
블랙홀은 매우 극단적인 물체입니다.
그럼에도 불구하고, 나머지 모든 것들과 같은 법칙에 묶여있습니다.
따라서 이 정신나간 이중적 2차원 3차원 작동 방식이 유효하다면,
당신이 들어있는 우주 전체에도 똑같이 적용될 수 있습니다.
블랙홀 안에 들어있는 사람은 자신이 블랙홀 표면에 암호화 되어있다는 사실을 모르기 때문에
우리는 같은 운명을 공유하고 있는 것일지도 모릅니다.
당신이나 저나 우주 끝 평평한 표면에 퍼져 있는 존재일지도 모릅니다.
이 이론의 배후에 있는 과학은 매우 복잡하며, 매우 이상하게 느껴질 것입니다.
실에 매달려 있는 장난감 우주 이론 등등 온갖 난잡한 이론들이 존재합니다.
이런 이론들에 대해서는 다른 영상에서 얘기해보도록 하겠습니다.
우주의 본질이 무엇이든 간에
우리가 아는 것은 우주가 이상하고 복잡하다는 것과
이를 이해하기 위해선 물리학을 훨씬 더 많이 진전시켜야 한다는 것입니다.
다만, 블랙홀은 우주의 본질을 이해하기 위한 열쇠가 될지도 모릅니다.
이영상은 스위스 자연과학 재단의 도움 및 알렉산드로 산드리니의 과학적 조언으로 만들어졌습니다.