스티븐 호킹/ 시간의 역사/ 1988



스티븐 윌리엄 호킹(Stephen William Hawking, CH, CBE, FRS, 1942년 1월 8일~)은 2009년까지 케임브리지 대학교의 루커스 석좌 교수로 재직한 영국의 이론물리학자이다. 그는 (특히 블랙홀이 있는 상황에서의) 우주론과 양자 중력의 연구에 크게 기여했으며, 자신의 이론 및 일반적인 우주론을 다룬 여러 대중 과학서를 저술했다. 그 중 시간의 역사는 런던 선데이 타임즈 베스트셀러 목록에 최고기록인 237주 동안 실렸다. 호킹은 스물한 살 때부터 근위축성 측색 경화증을 앓아 현재 휠체어 생활을 하고 있다. 그의 중요한 과학적 업적으로는 로저 펜로즈와 함께 일반상대론적 특이점에 대한 여러 정리를 증명한 것과 함께, 블랙홀이 열복사를 방출한다는 사실을 밝혀낸 것이 있다(이는 호킹 복사 혹은 베켄슈타인-호킹 복사로 불린다).


[시간의 역사(A Brief History of Time) /1988] 의 내용 - 2004년 스티븐 호킹은 1975년에 발표한 자신의 블랙홀 이론을 수정했다. 하지만 새로운 이론도 논란의 대상이다. 여전히 블랙홀 연구의 중요한 계기와 우주의 신비를 밝히는 촉매의 가치가 있다. 기원전 340년 전에 아리스토텔레스는 지구가 둥글다는 증거를 제시했지만, 지구가 우주의 중심이며 다른 행성들이 지구 주위를 돈다고 믿었다. 이런 생각은 천문학자 프톨레마이오스에 의해 하나의 우주 체계로 완성되었다. 코페르니쿠스에 의해 지구가 움직인다는 주장이 최초로 제기되기까지는 1천700년의 세월이 필요했으며 이것이 진지하게 논의되기까지에는 또 100년의 시간이 흘러야 했다. 1609년 갈릴레이가 망원경으로 밤하늘을 관측하기 시작하면서 프톨레마이오스의 우주관은 드디어 깨졌다. 일반적으로 사람들은, 우주란 변화 없이 영원히 존속하든가, 아니면 우주는 유한한 과거에 대체로 오늘날 보이는 대로의 모습으로 만들어졌든지, 둘 중의 하나일 것으로 생각했다. 사람들이 영원의 진리를 믿는 경향과 아울러 인간은 늙고 죽는다 해도 우주는 영원하고 불변하리라는 생각이 주는 위안이 20세기 이전의 사조를 부분적으로 설명한다.


시간이란 개념은 우주가 시작하기 이전에는 아무런 뜻이 없다. 이것을 처음으로 지적한 사람은 아우구스티누스다. 그는 “시간이란 신이 창조한 우주의 특성이고, 우주가 시작되기 전에는 시간이 존재하지 않았다”고 말했다. 뉴턴의 중력 이론은 우주가 정지 상태에 머무를 수 없음을 밝혔지만 아직까지 사람들은 우주가 팽창하고 있다는 생각을 가지지는 못했다. 1929년 에드윈 허블은 우리가 어디를 보아도 먼 은하들이 급속히 우리에게서 멀어져가고 있다는 획기적인 관측을 하였다. 우주는 팽창하고 있는 것이었다. 이 말은 은하들이 이전에는 더 가까이에 있었다는 뜻이다. 이 발견은 마침내 우주의 시작 문제를 과학의 영역으로 끌어들인 계기가 되었다. 허블의 관측은 우주가 대폭발(big bang)로 불리는 무한히 작고 조밀했던 시기가 있었음을 암시하고 있다. 우리는 시간이 대폭발에서 시작한다고 말할 수 있다. 신의 우주 창조가 대폭발의 순간에 이루어졌다고 상상해도 좋다. 혹은 대폭발이 있었던 후라고 상상해도 좋다. 그러나 대폭발 이전으로 상상하는 것은 의미가 없다.


과학의 궁극적 목적은 우주 전체를 기술하는 하나의 이론을 마련하는 데 있다. 흔히 우주의 시초에 관한 문제는 철학이나 종교의 문제라고 생각하는데 그렇지 않다. 오늘날 과학은 우주를 두 개의 기본적인 부분 이론 – 일반 상대성 이론과 양자역학 – 으로 설명한다. 이 두 이론은 20세기 초반에 이룩된 위대한 지성의 업적이다. 일반 상대성 이론은 중력과 우주의 대역 구조를 기술한다. 반면 양자역학은 극히 미세한 규모의 현상을 다룬다. 그러나 불행히도 이 두 이론은 상충한다. 두 이론이 모두 성립하지는 않는다. 이 책의 주제는 이 둘을 모두 포함하는 새로운 이론 – 중력의 양자론 – 을 모색해보자는 것이다. 아인슈타인의 상대성 이론의 근본 가정은, 과학의 법칙이 자유롭게 움직이는 어느 관측자의 속도와 무관하게 동일하다는 것이다. 이 단순한 생각은 놀라운 결과를 가져온다. 보통 물체는 상대성 이론에 의하면 빛보다 느린 속도에 영원히 한정된다. 오직 본래 질량이 없는 빛이나 또는 다른 파동만이 빛의 속도를 가질 수 있다. 상대성 이론이 중요한 것은 공간과 시간에 대한 우리의 개념을 혁신했다는 점이다. 상대성 이론은 시간의 절대성이란 개념에 종지부를 찍었다. 하나의 사건이란 공간의 어느 한 점에서 어느 한 시각에 일어나는 일이다.


우리는 시간이 공간과 무관하고 분리된 것이 아니라, 공간과 연관되어 시, 공간을 이룬다는 사실을 받아들이게 되었다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은, 우주가 시작이 있었고 또 아마도 종말이 있어야 한다는 사실을 암시한다. 우주가 팽창하고 있다는 사실의 발견은 20세기의 위대한 지식 혁명 중 하나였다. 현재까지의 연구로 볼 때 우주는 아마도 영원히 팽창하는 것 같지만, 확실한 것은 설사 우주가 다시 0으로 수축하게 되더라도 아직도 최소한 100억 년은 더 걸리리라는 것이다. 왜냐하면 우주는 이미 최소한 그만큼 동안 팽창해왔기 때문이다. 하이젠베르크의 불확정성의 원리는 우주의 근본적이고 불가피한 특성임을 증명하였다. 일반적으로 양자역학은 한 관측에 대해서 하나의 확정된 결과를 예측하는 대신 여러 개의 가능한 결과를 예언하고, 개개의 결과가 얻어질 확률을 알려준다. 양자역학은 과학에 예측 불가능성 또는 임의성의 요소를 불가피하게 집어넣은 것이다. 상대성 이론에 따르면 빛보다 빨리 달리는 물체는 없다. 그래서 빛이 벗어날 수 없다면 다른 어떠한 것도 벗어날 수 없다. 모든 것이 중력에 의해 끌려 되돌아온다. 별을 벗어나서 멀리 떨어져 있는 관측자에게 도달할 수 없는 사건의 집합, 즉 시공간의 구역이 생긴다. 이 구역이 우리가 말하는 블랙홀이다. 그 경계를 사건의 지평선(event horizon)이라 하며, 이는 블랙홀에서 가까스로 탈출하려다 붙들린 빛의 경로들과 일치한다. 단테가 지옥의 입구에 대해서 말했듯, 우리는 사건의 지평선을 가리켜서 “여기 들어오는 자, 모든 희망을 버릴지어다”라고 말할 만하다.


우리는 우주의 본질이 무엇인지 알고 싶어한다. 그래서 우리는 어떠한 하나의 ‘우주관’을 택한다. 우리는 아직까지 양자역학과 중력을 결합하는 완전하고 모순 없는 이론을 갖지 못했는데 그것이 가능하다면 우주의 본질을 밝히는 데에 획기적으로 기여할 것이다. 지금까지 과학자들은 우주가 ‘무엇’인가를 기술하는 새로운 이론을 개발하는 데 너무 골몰해서 ‘왜’ 우주가 존재하는가를 물을 틈이 없었다. 그러나 우리가 완벽한 통합 이론을 발견하게 되면 과학자, 철학자, 일반인 할 것 없이 모두가 인간과 우주의 본질에 관해 이야기할 수 있을 것이다.

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