02. 블랙홀 미스터리 , 화이트홀은 실제로 존재하는가

화이트홀은 실제로 존재하는가 — 블랙홀의 시간 역전 쌍둥이

블랙홀이 모든 것을 삼킨다면, 반대로 모든 것을 내뱉는 존재도 있지 않을까. 이 질문은 단순한 상상이 아니다. 물리학의 방정식 안에 이미 그 가능성이 숨어 있다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 풀면 블랙홀과 수학적으로 대칭을 이루는 해가 하나 더 나온다. 물리학자들은 그것을 화이트홀(White hole)이라고 부른다.

화이트홀은 블랙홀과 정확히 반대로 작동하는 천체다. 블랙홀은 모든 것을 안으로 빨아들이고 아무것도 내보내지 않는다. 화이트홀은 모든 것을 바깥으로 밀어내고 아무것도 안으로 들어오지 못하게 한다. 시간의 방향이 뒤집힌 것이다. 방정식은 이 존재를 허용한다. 문제는 그것이 실제로 우주 어딘가에 존재하느냐다. 그리고 지금까지 화이트홀은 단 한 번도 관측된 적이 없다.

 

화이트홀은 실제로 존재하는가, 블랙홀의 시간 역전 쌍둥이

1. 방정식이 예측하는 존재

화이트홀의 이론적 근거는 일반 상대성 이론에서 출발한다. 블랙홀을 수학적으로 기술하는 슈바르츠실트 해(Schwarzschild solution)를 풀면, 시간을 거꾸로 뒤집은 해가 동시에 존재한다. 이것이 화이트홀이다. 물리학에서 방정식이 어떤 해를 허용한다는 것은 그 현상이 이론적으로 금지되지 않는다는 의미다.

블랙홀의 경우 사건의 지평선을 넘으면 내부로 들어가는 것은 가능하지만 나오는 것은 불가능하다. 화이트홀의 경우 그 반대다. 화이트홀의 경계를 넘어 내부로 들어가는 것은 불가능하고, 내부에서 바깥으로 나오는 것은 가능하다. 빛도, 물질도, 어떤 신호도 화이트홀 안으로는 침투할 수 없다.

이 개념은 카를 슈바르츠실트가 1916년 아인슈타인의 방정식을 풀면서 처음 등장했다. 당시에는 블랙홀 자체도 수학적 허구로 여겨졌던 시절이었기 때문에, 화이트홀은 더욱 이론적인 유물로 취급됐다. 블랙홀이 실제로 존재한다는 사실이 천문 관측으로 확인된 지금도, 화이트홀은 여전히 관측 증거 없이 방정식 안에만 머물러 있다.

 

화이트홀, 블랙홀의 시간 역전 쌍둥이

2. 왜 화이트홀은 관측되지 않는가

화이트홀이 방정식에서 허용된다면, 왜 우주 어디에서도 발견되지 않는 걸까. 물리학자들은 크게 두 가지 방향에서 이 질문에 답한다.

첫 번째는 열역학적 불안정성이다. 화이트홀은 이론적으로 극도로 불안정한 천체다. 블랙홀이 외부 물질을 흡수하며 안정 상태를 유지하는 반면, 화이트홀은 내부 물질을 내뱉을수록 그 자체의 에너지 상태가 불균형해진다. 아주 작은 교란이 가해져도 화이트홀은 즉시 붕괴한다는 계산 결과가 있다. 설령 생성됐다 하더라도 관측 가능한 시간 동안 존재하기 어렵다는 것이다.

두 번째는 생성 조건의 문제다. 블랙홀은 충분히 무거운 별이 붕괴할 때 자연스럽게 만들어진다. 하지만 화이트홀이 어떤 물리적 과정을 통해 생성될 수 있는지에 대한 메커니즘은 현재까지 명확하지 않다. 방정식이 해를 허용하는 것과, 그 해에 해당하는 물체가 실제로 만들어질 수 있는 조건이 존재하는 것은 별개의 문제다.

일부 이론에서는 화이트홀이 블랙홀과 연결되어 있다는 가설을 제시하기도 한다. 블랙홀로 들어간 물질이 시공간의 터널을 통해 화이트홀에서 뿜어져 나온다는 웜홀 시나리오다. 웜홀은 아인슈타인-로젠 다리(Einstein-Rosen bridge)라는 이름으로 이론에 등장하지만, 이 역시 관측된 적 없는 가설의 영역에 머물러 있다.

 

화이트홀, 시간 역전

3. 화이트홀 가설이 다시 주목받는 이유

한동안 화이트홀은 물리학의 변방에 머물러 있었다. 그러나 루프 양자 중력(Loop Quantum Gravity) 이론이 발전하면서 화이트홀은 새로운 맥락에서 다시 등장했다. 이 이론에 따르면, 블랙홀이 증발의 마지막 단계에 이르면 양자 효과에 의해 화이트홀로 전환될 수 있다. 블랙홀이 완전히 소멸하는 것이 아니라, 화이트홀로 바뀌어 내부에 담겨 있던 정보를 천천히 방출한다는 것이다.

이 가설은 앞서 다룬 블랙홀 정보 역설과도 연결된다. 블랙홀이 증발하면 내부 정보가 영원히 사라진다는 것이 정보 역설의 핵심인데, 화이트홀로의 전환이 그 정보를 보존하는 하나의 메커니즘이 될 수 있다는 것이다. 물론 이것은 아직 가설의 단계를 벗어나지 못했다. 검증할 방법이 현재로서는 존재하지 않는다.

화이트홀은 존재하지 않는다는 증거도 없다. 관측되지 않았다는 사실이 곧 존재하지 않는다는 의미는 아니다. 블랙홀도 수십 년 동안 수학적 가설로만 존재하다가 결국 관측으로 확인됐다. 화이트홀이 그 길을 따라갈 가능성은 아직 닫혀 있지 않다.

 

화이트홀은 실제로 존재하는가

마무리

화이트홀은 물리학이 만들어낸 가장 기묘한 존재 중 하나다. 방정식은 분명히 이 존재를 허용하는데, 우주 어디에서도 그것을 찾을 수 없다. 이론과 현실 사이의 이 거리가 화이트홀을 더욱 흥미롭게 만든다.

블랙홀이 처음에는 아무도 믿지 않던 수학적 결론이었다는 점을 떠올리면, 화이트홀에 대한 판단을 지금 당장 내리는 것은 섣부르다. 우주는 인간이 상상 가능한 범위보다 훨씬 더 많은 것을 품고 있고, 그 중 일부는 아직 우리가 볼 수 없는 곳에 있을 뿐이다.

화이트홀이 실제로 존재하는가. 이 질문의 답은 아직 우주가 쥐고 있다. 그리고 만약 그 답이 존재한다면, 우주가 처음 만들어지던 순간에 무슨 일이 있었는지라는 또 다른 질문으로 곧장 이어진다.