18. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀의 내부를 다시 쓰다 — 끈이론과 퍼즈볼 가설

블랙홀의 내부를 다시 쓰다 — 끈이론과 퍼즈볼 가설

블랙홀 안에는 특이점이 있다. 밀도가 무한대가 되고 시공간의 법칙이 붕괴하는 지점. 일반 상대성 이론이 내놓는 이 답은 동시에 일반 상대성 이론의 한계를 고백한다. 물리학이 작동하지 않는 지점을 이론 스스로 만들어내기 때문이다.

끈이론(string theory)은 이 답을 받아들이지 않는다. 블랙홀 내부에 특이점이 있다는 것은 이론의 결론이 아니라 이론이 부서지는 지점이라는 신호다. 끈이론의 관점에서 블랙홀은 처음부터 다르게 생겼을 수 있다. 특이점도 없고, 텅 빈 내부도 없으며, 사건의 지평선의 성질도 달라진다. 이것이 퍼즈볼(fuzzball) 가설이다.

블랙홀의 내부를 다시 쓴다는 것은 단순한 수정이 아니다. 지금까지 블랙홀에 대해 제기된 거의 모든 역설의 배경 전제를 바꾸는 시도다.

 

블랙홀의 내부를 다시 쓰다, 퍼즈볼 가설

1. 끈이론이 블랙홀을 보는 방식

끈이론은 자연의 가장 기본적인 구성 요소가 점 입자가 아니라 1차원의 진동하는 끈이라고 본다. 끈의 진동 방식에 따라 전자, 광자, 중력자 등 다양한 입자들이 나타난다. 이 이론은 중력을 양자역학과 통합하는 유력한 후보로 수십 년간 연구됐지만 아직 실험적으로 검증되지 않은 가설 단계다.

끈이론에서 블랙홀은 엄청난 수의 끈들이 특정한 방식으로 묶인 상태로 해석될 수 있다. 여기서 퍼즈볼 가설이 나온다. 퍼즈볼이란 블랙홀과 같은 질량, 같은 전하, 같은 각운동량을 가지지만 내부 구조가 완전히 다른 천체다.

일반 상대성 이론의 블랙홀은 사건의 지평선 내부가 텅 비어 있고 중심에 특이점이 있다. 관측자가 지평선을 통과하면 그 안은 진공이다. 퍼즈볼은 이와 다르다. 퍼즈볼은 그 전체 부피가 진동하는 끈과 막(brane)으로 가득 채워져 있다. 중심에 특이점이 없다. 사건의 지평선처럼 보이는 경계가 있지만, 그 경계는 물질로 가득 찬 복잡한 양자 구조의 표면이다.

퍼즈볼의 반지름은 고전적 블랙홀의 슈바르츠실트 반지름과 대략 일치한다. 멀리서 보면 퍼즈볼과 블랙홀은 구별되지 않는다. 중력적으로 동일하게 행동한다. 차이는 내부 구조와 경계 근처에서 나타난다.

 

퍼즈볼 가설, 끈이론

2. 퍼즈볼이 역설들을 해소하는 방식

퍼즈볼 가설이 주목받는 이유 중 하나는 이 시리즈에서 다룬 여러 역설들을 동시에 해소할 수 있는 잠재력 때문이다.

정보 역설부터 시작하자. 006편에서 다룬 블랙홀 정보 역설의 핵심은, 블랙홀이 증발하면서 방출하는 호킹 복사가 무작위적인 열복사라면 블랙홀에 떨어진 물질의 정보가 영원히 사라진다는 것이다. 퍼즈볼에서는 사건의 지평선이 없다. 물질이 떨어지면 끈과 막으로 이루어진 퍼즈볼의 표면과 상호작용한다. 정보는 퍼즈볼의 복잡한 양자 상태에 저장되고, 이후 방출되는 복사에 그 정보가 담길 수 있다. 정보가 사라지지 않는다.

방화벽 역설도 달라진다. 016편에서 다룬 것처럼 방화벽 역설은 사건의 지평선에서 양자 얽힘이 끊어지면서 에너지가 폭발적으로 방출된다는 주장이다. 그러나 퍼즈볼에는 사건의 지평선이 없다. 방화벽이 생기는 전제 조건이 처음부터 존재하지 않는다. 역설이 발생하는 무대 자체가 사라진다.

특이점 문제도 해소된다. 011편에서 다룬 것처럼 일반 상대성 이론의 특이점은 물리 법칙이 붕괴하는 지점이다. 퍼즈볼에는 특이점이 없다. 물질이 끈의 구조로 대체되어 밀도가 무한대가 되는 지점이 생기지 않는다.

물론 이것들은 가설 수준의 해소다. 퍼즈볼이 실제로 존재한다는 관측 증거는 아직 없고, 끈이론 자체가 실험적으로 검증된 이론이 아니다. 퍼즈볼 가설은 "이렇게 생겼다면 역설들이 사라진다"는 자기 일관성을 보여주는 단계에 있다.

 

블랙홀의 내부를 다시 쓰다, 퍼즈볼 가설

3. 검증의 문제 — 어떻게 알 수 있는가

퍼즈볼과 고전적 블랙홀은 멀리서 보면 구별되지 않는다. 두 천체의 중력 효과, 광자 고리, 블랙홀 음영의 크기는 동일하게 예측된다. EHT가 촬영한 M87와 Sgr A 사진은 퍼즈볼과 고전 블랙홀을 구별하지 못한다.

차이가 나타날 수 있는 곳은 경계 근처다. 퍼즈볼의 표면은 끈의 복잡한 양자 상태를 담고 있으므로, 그 근처를 지나는 빛이나 입자가 고전적 블랙홀과 미세하게 다른 방식으로 산란될 수 있다는 이론적 예측이 있다. 중력파 관측에서도 차이가 나타날 가능성이 있다. 블랙홀 합병 이후 검출되는 중력파의 잔향(ringdown) 신호가 고전 블랙홀과 다를 수 있다는 것이다.

그러나 이 차이들은 현재 기술 수준으로는 측정하기 어렵거나 아직 관측되지 않았다. ngEHT의 고해상도 관측, LIGO의 감도 향상이 미래에 실마리를 줄 수 있다는 기대가 있지만, 퍼즈볼을 직접 확인하는 관측 경로는 아직 열려 있지 않다.

끈이론 자체도 여전히 실험적 검증을 기다리는 이론이다. 퍼즈볼 가설이 옳다고 해도, 그것이 끈이론의 옳음을 의미하는지, 아니면 다른 이론에서도 비슷한 구조가 나타날 수 있는지는 별개의 질문이다.

 

블랙홀의 내부를 다시 쓰다, 퍼즈볼 가설

마무리

블랙홀의 내부를 다시 쓰다. 퍼즈볼 가설은 이 작업이 가능하다고 말한다. 특이점은 이론의 파탄이 아니라 블랙홀이 실제로 다른 구조라는 신호일 수 있다. 사건의 지평선은 경계가 아니라 끈으로 이루어진 물질 구조의 표면일 수 있다.

이 가설이 옳은지 그른지는 아직 모른다. 끈이론이 맞는지도 아직 모른다. 그러나 이 시리즈를 통해 블랙홀이 무엇을 해왔는지는 분명하다. 블랙홀은 일반 상대성 이론의 한계를 드러냈고, 양자역학의 정보 보존 원칙을 시험했으며, 공간의 차원이 근본적이지 않을 수 있다는 가능성을 열었다. 그리고 물리학이 가장 잘 작동한다고 믿어온 두 기둥, 일반 상대성 이론과 양자역학이 서로 충돌하는 극단적인 무대를 제공했다.

001편에서 블랙홀이 천천히 죽는다는 이야기로 시작한 이 시리즈는 블랙홀이 아직 죽지 않은 질문들을 남겨둔 채 끝난다. 블랙홀이 무엇인지에 대한 물리학의 대답은 완성되지 않았다. 더 선명한 관측이, 더 정교한 이론이, 혹은 지금까지 누구도 생각하지 못한 새로운 개념이 이 질문들에 답할 것이다. 그때 블랙홀은 또 한 번 물리학을 다시 쓰게 만들 것이다.