08. 블랙홀 미스터리 , 우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가

우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가

우주는 어디에서 왔는가. 이 질문에 물리학은 빅뱅이라는 답을 내놓는다. 약 138억 년 전, 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 한 점에서 우주가 팽창하기 시작했다. 그런데 빅뱅 이전에는 무엇이 있었는가. 그 한 점은 어디에서 왔는가. 여기서 물리학은 말을 잃는다.

1992년 물리학자 리 스몰린(Lee Smolin)은 이 침묵에 하나의 가설을 밀어 넣었다. 블랙홀의 특이점에서 새로운 우주가 탄생한다. 블랙홀이 물질을 압축하고 압축하다 특이점에 이르면, 그 극한의 밀도가 새로운 빅뱅의 조건을 만들어낸다. 우리가 사는 이 우주도 어딘가의 블랙홀 안에서 태어난 것일 수 있다. 우주는 블랙홀을 통해 자손을 낳고, 그 자손이 또 블랙홀을 만들어 다음 우주를 낳는다. 스몰린은 이것을 우주 자연선택론(cosmological natural selection)이라고 불렀다.

 

우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가

1. 다윈이 우주에 적용된다면

스몰린의 가설은 다윈의 진화론과 구조가 놀랍도록 닮아 있다. 생명체가 자손을 낳을 때 돌연변이가 생기듯, 블랙홀에서 태어난 새 우주는 모 우주와 물리 상수가 약간 다르다. 물리 상수란 빛의 속도, 중력 상수, 전자의 질량처럼 우주의 법칙을 결정하는 기본 수치들이다. 이 값들이 조금만 달라져도 별이 만들어지는 방식, 원소가 형성되는 방식, 블랙홀이 탄생하는 빈도가 달라진다.

여기서 자연선택이 등장한다. 블랙홀을 많이 만드는 우주는 더 많은 자손 우주를 낳는다. 블랙홀을 거의 만들지 못하는 물리 상수를 가진 우주는 자손을 남기기 어렵다. 세대가 거듭될수록 블랙홀 생성에 유리한 물리 상수를 가진 우주들이 다수를 차지하게 된다. 생물학에서 생존에 유리한 형질이 후대에 퍼지는 것과 같은 논리다.

스몰린은 여기서 한 걸음 더 나아갔다. 블랙홀을 많이 만들기 위한 물리 상수는 공교롭게도 별을 만들고 탄소 같은 복잡한 원소를 만들기에도 유리한 조건과 겹친다. 생명이 탄생하기 좋은 우주와 블랙홀이 많이 만들어지는 우주가 비슷한 물리 상수를 요구한다는 것이다. 우리가 생명이 존재하는 우주에 살고 있다는 사실이, 우리 우주가 오랜 우주 진화의 결과물일 가능성과 자연스럽게 연결된다.

 

우주 자연선택론, 블랙홀 우주 탄생

2. 가설의 약점과 반박

스몰린의 가설은 철학적 아름다움에도 불구하고 물리학계에서 강한 비판을 받았다. 가장 핵심적인 문제는 반증 가능성이다. 과학적 가설이 과학으로 인정받으려면 틀렸을 때 그 사실을 확인할 수 있어야 한다. 다른 우주가 블랙홀 안에 존재한다는 것을 어떻게 확인하거나 반박할 수 있는가.

스몰린 스스로는 이 가설이 반증 가능하다고 주장했다. 우리 우주의 물리 상수가 블랙홀 생성을 최대화하는 방향으로 미세 조정되어 있다면, 가설을 지지하는 간접 증거가 된다. 반대로 물리 상수를 조금 바꿨을 때 오히려 블랙홀이 더 많이 만들어지는 조합이 존재한다면, 가설은 약화된다. 물리학자 조 실크와 마틴 리스는 특정 중성자별의 최대 질량에 관한 관측이 스몰린의 예측과 맞지 않을 수 있다고 지적하기도 했다.

또 다른 문제는 블랙홀 특이점에서 새로운 빅뱅이 발생한다는 메커니즘 자체다. 이것은 현재 물리학으로는 기술할 수 없는 영역이다. 특이점에서는 일반 상대성 이론이 무너지고, 양자 중력 이론이 필요하지만 그 이론은 아직 완성되지 않았다. 스몰린의 가설은 우리가 아직 갖지 못한 이론을 전제로 한다. 이 점에서 가설은 검증 가능한 과학과 형이상학의 경계에 걸쳐 있다.

 

우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가

3. 가설이 남기는 질문

스몰린의 우주 자연선택론이 옳든 그르든, 이 가설은 몇 가지 불편하고 흥미로운 질문을 남긴다.

첫 번째는 최초의 우주에 관한 질문이다. 우주가 블랙홀을 통해 자손을 낳는다면, 최초의 우주는 어디서 왔는가. 진화론도 최초의 생명이 어떻게 생겨났는지 설명하지 못하는 것처럼, 우주 자연선택론도 첫 번째 우주의 기원에 대해서는 답하지 못한다. 무한한 과거를 가정하거나, 또 다른 설명을 필요로 한다.

두 번째는 우리 우주의 위치에 관한 질문이다. 우리 우주가 어느 블랙홀에서 태어났다면, 그 블랙홀이 속한 모 우주가 있다는 뜻이다. 그리고 지금 이 순간에도 우리 우주 안의 블랙홀들은 새로운 우주를 낳고 있을 수 있다. 블랙홀 안에 우주가 있다. 우리 우주도 블랙홀 안에 있을 수 있다. 이 구조는 끝이 없다.

세 번째는 물리 상수에 관한 질문이다. 우리 우주의 물리 상수가 생명이 탄생하기에 정교하게 맞춰진 것처럼 보이는 현상을 인류원리(anthropic principle)라고 한다. 스몰린의 가설은 이 정교함이 어떤 특별한 의도가 아니라 자연선택의 결과일 수 있다는 하나의 설명을 제공한다. 완전한 답은 아니지만, 질문의 방향을 바꾸는 힘이 있다.

 

우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가

마무리

우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가. 지금으로서는 알 수 없다. 이 가설을 직접 검증할 방법이 없고, 그것을 가능하게 할 이론도 아직 완성되지 않았다.

그러나 스몰린의 가설이 던지는 질문은 여전히 유효하다. 우주가 목적 없이 한 번 생겨난 것인지, 아니면 어떤 방식으로든 증식하고 진화하는 더 큰 구조의 일부인지. 우리가 이 우주에 존재한다는 사실이 단순한 우연인지, 아니면 수많은 우주 세대를 거쳐 선택된 조건의 산물인지.

블랙홀은 끝이 아닐 수 있다. 그것이 새로운 시작이라면, 우주의 역사는 우리가 생각했던 것보다 훨씬 길고 복잡하다. 그리고 그 우주 안에서 회전하는 블랙홀은 또 다른 방식으로 우리의 상상을 시험한다.