스티븐 호킹 박사가 여전히 대중문화의 아이콘으로 평가되는 이유

우주학자, 그리고 대중문화의 아이콘

우주를 되돌리고 블랙홀의 뜨거운 경계 영역에서 증폭된 입자를 제거한 물리학자 스티븐 호킹의 생일은 그가 세상을 떠난 뒤에도 전 세계 곳곳에서 기념되고 있습니다. 세계적으로 유명한 우주학자 호킹은 그뿐만 아니라 대중문화의 아이콘으로 등극했습니다. 근위축성 측삭 경화증(ALS)으로 인해 거의 움직이지 못하는 몸을 잔뜩 웅크리고 있던 천재 호킹은 생전 고급 휠체어의 도움을 받아왔습니다.

 

뺨 근육 하나의 움직임을 말로 변환하는 희귀하고 특화된 시스템을 통해 세상과 소통하던 호킹은 '스타트렉 : 넥스트 제너레이션', '심슨 가족', '빅뱅 이론' 등에 출연하기도 했습니다. 그러나 호킹의 가장 지속적인 유산은 20세기 후반 가장 중요한 물리학자, 알베르트 아인슈타인과 베르너 하이젠베르크와 같은 인물들의 초기 연구를 결합해 인간의 행동에 대한 일관된 설명에 접근하는 연구자가 됐다는 것입니다.

 

우리의 과거에는 특이점이 있다

좋은 천재 이야기는 굉장한 것에서 시작되지 않습니다. 호킹의 위대한 업적 중 첫 번째는 케임브리지 대학교에서의 박사 논문입니다. 지난 1966년 승인된 호킹의 논문은 "전체 우주는 한 점, 무한히 작고 밀도가 높으며, 스스로 웅크리고 있는 단일 점, 즉 모든 것의 시작점에서 시작되었다"라는 극적인 주장을 펼쳤습니다. 이후 호킹은 "우리 과거에는 특이점이 있다"라고 적기도 했습니다. 이것은 오늘날 일반적으로 이해되는 빅뱅에 대한 최초의 설명이 됐으며 이는 끊임없이 팽창하는 현대 우주에서 폭발한, 먼 시간의 무한히 작은 지점입니다.

 

지난 2005년 호킹이 '우주의 기원' 강의에서 설명한 바와 같이 그의 논문은 과학자들이 우주의 광활하고 텅 빈 공간, 즉 은하 사이의 틈이 확장되고 있음을 확인한 순간 도달했습니다. 그러나 그들은 그 이유를 확신하지 못했습니다. 일부 물리학자들은 특이점을 제외한 빅뱅 개념의 약한 버전을 제안했지만, 여기서는 정상 상태 우주라 불리는 또 다른 이론이 지배적이었습니다. 호킹은 정상 상태 우주에 대해 "은하들이 멀어짐에 따라 우주 전체에 걸쳐 지속적으로 생성되는 물질로 인해 새로운 은하가 형성될 것이라는 생각이 있었다"라고 입을 열었습니다. 호킹은 "우주는 영원히 존재했으며 앞으로도 항상 똑같이 보일 것"이라고 강조했습니다. 많은 과학자들은 우주가 팽창하고 있지만, 시작도 끝도 없는 방식으로 팽창하고 있다고 생각했습니다.

 

전기 작가인 키티 퍼거슨이 자신의 저서에서 썼듯이, 호킹은 1963년 21세에 ALS 진단을 받은 후 몇 달 동안 우울증에 시달렸고 지속적인 정신 질환을 겪었습니다. 퍼거슨에 따르면 호킹의 우울증은 그가 기대 이상으로 살고 있다는 것이 분명해지고 대학원생을 규율하는 케임브리지 규칙에서 예외가 인정돼 그의 첫 아내인 제인 와일드와 결혼하면서 사라졌습니다. 박사 학위 논문 주제에 도달하기 전, 호킹은 그 기간 동안 연구자들이 자신이 궁극적으로 사소하다고 생각했던 작업에 바쁘게 움직이는 방식에 대해 좌절감을 느꼈습니다. 이후 호킹은 2002년 자신의 생일 강연에서 "아인슈타인의 방정식에 대해 어떤 해결책이라도 발견한 사람들은 매우 기뻐했다"라며 운을 뗐습니다. 호킹은 "그들은 그것이 어떤 물리적인 의미를 갖고 있는지 묻지 않았다"라고 덧붙였습니다.

 

이러한 좌절감으로 인해 처음으로 악명을 떨쳐낸 호킹은 1964년 6월, 유명한 천문학자이자 정상 상태 우주 이론의 옹호자인 프레드 호일의 강의를 듣기 위해 여행에 나섰습니다. 강의 도중 큰 충격을 받은 호킹은 지팡이에 기댄 채 일어서서 호일의 결과 중 하나에 도전했습니다. 전기에서 퍼거슨은 "놀란 호일은 호킹에게 결과가 옳은지 그른지 어떻게 판단할 수 있는지 물었고 호킹은 '해결했다'라고 대답했다"라는 내용을 담았습니다. 퍼거슨은 이어 "청중은 감명을 받았고 호일은 강의에서 교수의 연구를 머릿속으로 찢는 것처럼 보였던 이 알려지지 않은 대학원생에게 분노했다"라고 적었습니다. 사실 호일의 학생 중 한 명과 친구가 된 호킹은 강의가 시작되기 전부터 그 아이디어를 공격하기 시작했습니다.

 

얼마 지나지 않아 호킹은 수학자 로저 펜로즈가 개발한 우주론에 대해 알게 됐습니다. 이것은 일반 상대성 이론에서 이론화한 무한 밀도 및 시공간 곡률 지점인 특이점은 충분히 큰 별이 스스로 붕괴할 때 실제로 나타날 수 있다는 것입니다. 퍼거슨이 쓴 저서에 따르면 호킹은 그곳에서 이륙했으며, 시간의 방향을 바꿔 무한한 밀도와 무한한 시공간 곡률의 지점, 즉 특이점이 외부로 폭발하여 팽창하면 어떤 일이 일어날지에 대해 깊게 고려했습니다.

 

호킹은 강력한 계산을 통해 자신의 추측을 뒷받침하면서 작업에 착수했습니다. 이러한 계산을 바탕으로 한 호킹의 박사 학위 논문은 1966년에 승인됐으며, 이후 10년 동안 펜로즈와 협력해 수행한 후속 연구와 함께 빅뱅에 대한 과학자들의 현대적 이해의 기초를 형성했습니다. 특히 같은 시기, 정상 상태 우주 이론의 특정 주요 예측은 실험에서 실패하기 시작했고 이에 따라 초기 우주의 진정한 역사를 발견한 호킹의 지위는 더욱 확고해졌습니다.

 

블랙홀의 폭발, 호킹 복사

일부 과학자들은 "호킹의 경력 중 유일한 업적이 우주의 역사적 형태를 발견한 것이라면 그는 여전히 거인일 것"이라고 말합니다. 한 과학자는 "DNA의 이중나선 형태를 발견한 로절린드 프랭클린이나 최초로 이론을 제안한 니콜라우스 코페르니쿠스와 함께 언급되는 그런 사람일 것"이라고 이야기했습니다. 다만 태양 중심 모델은 호킹의 두 가지 중요한 업적 중 첫 번째에 불과했습니다. 두 번째 업적인 호킹 복사는 블랙홀과 빈 공간의 양자 역학이라는 두 가지에 대한 약간의 이해가 필요합니다.

 

스스로 붕괴되는 블랙홀은 중력이 너무 강해 빛조차도 중심 주변 지역을 벗어날 수 없는 별입니다. 사건의 지평선이라고 불리는 그 지점 너머에는 시공간이 너무 휘어져 있어 장막 뒤에 있는 모든 것이 영원히 사라집니다. 앞선 1970년대 초반의 이해에 따르면 블랙홀은 빛을 방출하지도, 줄어들지도, 질량을 잃지도 않습니다. 그것은 단지 질량을 늘리고 가려진 영역으로 더 많은 공간을 끌어당깁니다.

 

둘째는 양자역학으로 호킹이 활동할 당시 과학자들은 하이젠베르크의 불확정성 원리가 빈 공간이 실제로 비어 있는 것이 아니라는 점을 암시한다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 이는 가상 입자, 즉 함께 나타나고 분리된 뒤 서로 충돌하고 측정하기에는 너무 짧은 시간 내에 전멸되는 물질-반물질 쌍으로 휘젓습니다. 오늘날에도 과학자들은 이러한 가상 입자가 실제로 존재하는지 아니면 기이하고 확률적인 특성으로 인해 양자 방정식에서만 나타나는지에 대한 논쟁을 이어가고 있습니다.ㅇ 퍼거슨은 전기에서 1973년 늦여름, 스티븐 호킹과 제인 호킹이 폴란드 바르샤바에서 열린 코페르니쿠스 탄생 500주년 기념 강연 시리즈에 참석했다고 전했습니다. 그곳에서 호킹은 소련의 물리학자 야코프 보리소비치 젤도비치와 그의 학생 알렉세이 알렉산드로비치 스타로빈스키를 만났습니다. 이들은 회전하는 블랙홀의 에너지가 사건 지평선 바로 바깥에 입자를 생성한다는 것을 보여주었고 강연에서 젤도비치와 스타로빈스키는 "이러한 입자들이 우주로 날아가면서 블랙홀의 회전을 일부 약화시킬 것"이라고 설명했습니다. 그러면서 이들은 "결국 블랙홀의 회전이 멈출 것"이라는 결론을 내렸습니다.

 

이 아이디어는 호킹의 머릿속에 내내 맴돌았고, 케임브리지로 돌아온 호킹은 젤도비치와 스타로빈스키의 계산을 반복하고 다듬었습니다. 호킹이 처음으로 결과를 확인했을 때에는 뭔가 새로운 것이 펼쳐졌습니다. 이후 호킹은 1988년 출간한 저서 '시간의 역사'에서 "나는 회전하지 않는 블랙홀이라도 분명히 일정한 속도로 입자를 생성하고 방출해야 한다는 사실을 발견하고 놀랐다"라고 당시를 회상했습니다. 호킹은 그 이유에 대해 다음과 같이 설명했습니다.

 

만일 블랙홀이 우주에 존재하고 사건의 지평선을 정의했다면, 그리고 우주가 가상의 자기 소멸 입자 쌍으로 끊임없이 소용돌이친다면, 때때로 그 입자들은 블랙홀의 사건 지평선의 가장자리에서 바로 존재해야 합니다. 실제로 일부 이러한 입자 쌍 중 하나는 사건 지평선의 한쪽으로 분리된 음의 질량 반물질 입자, 다른 쪽에서는 분리된 양의 질량 물질 입자와 함께 완벽하게 위치해야 합니다. 호킹은 그 이상한 상황이 입자들을 가상의 반존재에서 완전한 현실로 효과적으로 강화할 것이라는 사실을 깨달았습니다.

 

입자들이 소멸되지 않을 만큼 충분히 분리되었기 때문, 이는 에너지와 질량 입자가 사건의 지평선 표면에서 흘러나오는 것처럼 보인다는 것을 의미합니다. 이러한 에너지의 흐름은 1974년 작성된 논문에서 호킹 복사라는 이름이 붙었습니다. 호킹 복사는 물리학자들이 우주를 이해하는 방식을 근본적으로 변화시켰고, 호킹이 깨닫기 전에 과학자들은 블랙홀로 인해 손실된 모든 물질이나 에너지가 더 넓은 우주에서 영원히 사라져 블랙홀의 사건 지평선이 우주의 일부 물질이 결코 되돌아오지 않는 벽 역할을 할 것이라고 믿었습니다.

 

그러나 호킹의 발견은 블랙홀이 시간이 지남에 따라 점점 더 빠르게 붕괴된다는 것을 시사했습니다. 부정적인 에너지와 질량을 가진 부정적인 입자는 사건의 지평선 표면에서 더 넓은 우주로 흘러나오는 각각의 긍정적인 입자에 대해 그 너머의 공간으로 다시 떨어져 거기에 갇혀 있는 총질량과 에너지를 줄입니다. 시간이 지남에 따라 이러한 과정은 블랙홀이 줄어들게 만듭니다. 호킹은 "우주에는 별이 붕괴하는 것이 아니라 초기 우주의 극심한 압력에서 생겨난 원시 블랙홀이 있어야 한다"라고 판단했습니다. 호킹은 이 블랙홀이 수십억 년에 걸쳐 상당히 줄어들었을 것이며, 작은 사건의 지평선이 강력한 호킹 방사선을 방출할 것이라고 추론했습니다.

 

'시간의 간략한 역사'에서 호킹은 "이러한 구멍은 블랙홀이라 불릴 가치가 거의 없다"라며, "정말 하얗게 뜨겁다"라고 덧붙였습니다. 결국 호킹은 그것들이 폭발할 것이라고 봤으며, 그가 아이디어를 공유하기 시작하자 동료들은 이것을 훌륭하거나 이단적인 것으로 받아들였습니다. 이 이론을 들은 펜로즈는 1974년 생일, 저녁 식사에 앉아 있는 호킹에게 전화를 걸어 저녁 식사가 식을 정도로 오랫동안 그를 축하했습니다. 그러나 몇 달 후, 호킹이 자신의 제안을 발표한 심포지엄의 사회자는 "그것은 완전히 쓰레기"라고 비난했습니다. 오늘날 호킹의 제안은 과학적 사실로 간주되고 있습니다.

 

블랙홀 그 너머

블랙홀의 폭발 이후 호킹은 45년 동안 자신의 초기 기여를 공격하는 아이디어를 포함해 우주의 기초를 짚어내는 연구를 계속해서 발표해 왔습니다. 이후 과학 커뮤니케이터로서 가장 유명해진 호킹은 1988년 '시간의 간략한 역사'에 이어 10편의 대중 과학 작품과 '나의 간략한 역사'라는 제목의 회고록을 출간하기도 했습니다. 호킹이 오랫동안 쇠퇴하고 있는 건강의 맥락을 인정하지 않은 채 우주에 대한 인간의 이해와 자신의 막대한 공헌에 대해 이야기하는 것은 불가능합니다. 호킹의 물리학에 대한 두 가지 중요한 공헌은 그가 스스로 걸을 수 있는 젊은 사람에서 휠체어에 갇혀 있고 말을 어눌하게 하고 아내에게 자신의 생각을 기록하는 남자로 변한 것과 같은 시기에 이뤄졌습니다.

 

ALS는 신체를 마비시키지만 적어도 호킹의 경우에는 정신을 손상시키지 않았습니다. 키티 퍼거슨은 "호킹이 오랫동안 자신을 '매우 운이 좋다'라고 생각했다"라고 전했습니다. 퍼거슨은 1989년 호킹에 관한 첫 번째 책을 위해 진행한 인터뷰에서 "내가 그의 과학적 연구에 대해 글을 쓰고 그러한 연구가 대부분의 사람들보다 그에게 더 많은 성취를 의미할 수 있다는 점을 전혀 언급하지 않았다면, 그것은 그에게 괜찮았을 것"이라는 사실을 깨달았습니다.

 

호킹은 행동주의 맥락에서 자신의 장애에 관해 가장 편안하게 논의해 왔으며 이는 매우 중요하게 작용했습니다. 1999년 남아프리카 활동가 데스몬드 투투를 포함한 12명의 저명한 인사 그룹에 합류한 호킹은 세계 정부에 장애인과의 관계를 변화시키고 장애인의 삶을 개선하는 서비스를 확대할 것을 촉구하는 헌장에 서명했습니다. 또한 그는 보편적 의료와 영국 국민보건서비스(NHS)의 저명한 옹호자였으며, 2017년 8월 연설에서 프로그램 자금 및 지원이 부족하다는 이유로 보수당 보건부 장관 제레미 헌트를 공격하기도 했습니다.

 

호킹은 "NHS가 없었다면 나는 여기에 없었을 것"이라며 고마움을 표했습니다. 과학자들은 "인공지능이나 외계인이 언급될 때 호킹은 인류의 미래에 대한 생각으로 가장 주목을 받는 경향이 있다"라고 평가했습니다. 한 과학자는 "호킹의 발언 대부분은 좀 더 현실적이었다"라며 그를 기억하기도 했습니다.