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물리학의 별, 우주로 돌아가다.
[447호] 2018년 05월 01일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

 지난 3월 14일, ‘우주론의 대가’, ‘천재 물리학자’ 등으로 불린 과학자, 스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942.01.08~2018.03.14)이 세상을 떠났다. 20대에 불치병 판정을 받고 수년 이내에 사망할 것이라는 시한부 인생을 선고받았지만, 그는 50년이 넘는 세월 동안 휠체어에 앉아 우주에 대해 연구하고 대중들에게 이를 설명하기 위해 노력했다. 우주론 연구를 위해 평생을 바친 스티븐 호킹, 그의 생애에 대해 알아보자.

우주론의 대가, 스티븐 호킹의 탄생
1942년 1월 8일, 교회의 압박에도 불구하고 꿋꿋이 지동설을 주장하였던 물리학자이자 천문학자인 갈릴레오 갈릴레이가 죽은 지 정확히 300년이 되던 날, 영국 옥스퍼드에서 스티븐 호킹이 태어난다. 훗날 사람들은 ‘호킹이 갈릴레이의 환생이다’는 식의 표현을 사용하며 호킹의 업적을 칭송하였지만, 그 스스로는 “그날 태어난 아기가 자신 외에도 20만 명쯤은 될 것”이라며, “그날 태어난 아이 중에서 누가 자라서 천문학에 관심을 기울였는지 모른다”고 말했다.

어린 시절부터 우주론에 관심 가져
호킹은 유년시절에도 우수한 성적을 얻긴 하였으나, 우리가 흔히 생각하는 ‘천재’처럼 특출난 모습만을 보인 건 아니었다. 당시 그가 다닌 학교가 도입했던 새로운 교육방식이 비효율적이었다는 문제점도 있겠지만 그는 여덟 살이 되어서야 글을 읽게 되었으며, 등수로 상급 학교 전출을 결정지었던 중학교에는 턱걸이로 남을 수 있었다. 중고등학교에서는 학업 태도가 어수선하였고, 항상 학급 내에서 중간 이하의 성적을 받았다고 한다. 하지만 친구들로부터 아인슈타인이라는 별명으로 불렸다는 것으로 미루어 보아, 그의 생각이 남달랐다는 것을 유추할 수 있다. 실제로 호킹은 중고등학교 시절에도 우주의 기원과 팽창, 물리학 등의 주제로 열띤 토론을 진행하고 의견을 나누는 과정을 즐겼다.
의학을 전공하고, 열대 풍토병 연구에 종사하는 아버지 아래서 자란 호킹은 자신이 과학자가 되는 일이 자연스럽다고 생각하였다. 호킹의 아버지는 아들의 과학에 대한 관심을 돋우고, 수학을 가르쳤으며, 연구에 헌신하는 삶을 직접 보여주었다. 호킹은 물리학이 너무 쉽고 당연해 지루하다고 생각했으나, 물리학과 천문학은 그에게 인간이라는 존재가 어디에서, 왜 지금의 위치에 오게 되었는지를 이해할 수 있다는 희망을 주었다. 그는 어린 나이부터 우주에 대해 이해하고 싶어했으며, 평생을 이 목표를 이루기 위해 정진하였다.

루게릭 병의 발병과 시한부 인생 선고
호킹은 열일곱 살의 나이에 옥스퍼드 대학교의 물리학 과정에 장학생으로 입학한다. 학부생 시절 그는 조정 클럽에 가입해 경주에 참가하는 등 활동적인 사람이었으나, 옥스퍼드에서의 마지막 해에 몸을 능숙하게 움직이기 어려워졌다는 것을 스스로 느낀다.
하지만 당시 의사는 그에게서 별다른 이상을 찾지 못하였고, 그는 우주론에 대한 연구를 진행하기 위해 진학한 케임브리지 대학원 생활 중 흔히 ‘루게릭 병’이라고 알려진 근위축성측삭경화증(ALS, Amyotrophic Lateral Sclerosis) 판정을 받는다. 이 병은 운동신경 세포가 사멸하는 병으로, 근육의 약화와 마비가 발생하고 언어 능력 감소, 호흡 장애 등도 함께 발생하는 중증이다. 루게릭 병을 진단받은 환자는 보통 진단 후 3~4년 이내에 사망하며, 호킹 또한 루게릭 병 진단과 함께 시한부 인생을 선고받는다. 그러나 그는 병의 악화로 인하여 더 이상 글을 쓰거나 타이핑을 하기 어려워졌음에도 불구하고, 연구원직을 획득하고 우주론 연구를 이어나간다.

시공의 시초에 특이점이 존재함 보여

호킹은 로저 펜로즈(Roger Penrose)가 블랙홀의 특이점1)에 대해서 증명한 내용을 우주의 팽창에 적용함으로써 박사 학위를 받는다. <특이점들과 시공의 기하학(Singularities and the Geometry of Space-Time)>이라는 제목의 논문은 기존에 펜로즈가 완벽히 구형이 아닌 별도 수축하며, 특이점을 형성할 수 있다고 밝힌 바를 우주의 팽창에 적용해 시공이 시작된 특이점이 존재함을 증명하였다. 이 논문은 또한 일반상대성이론만으로는 특이점을 설명할 수 없다는 사실을 밝히기도 했다. 여기서 특이점이란 시공의 곡률이 무한대가 되는 지점으로 일반상대성이론을 나타낸 아인슈타인 방정식에서 중력이 무한대인 지점의 해를 나타내며, 크게 빅뱅에서 등장하는 특이점과 블랙홀의 중심에 위치한 특이점으로 나눌 수 있다.
호킹과 펜로즈의 특이점 정리2)는 우주의 시작에는 특이점이 반드시 존재해야 한다는 사실을 설명하였지만, 특이점에서는 이전에 밝혀낸 우주와 관련된 모든 방정식을 사용할 수 없게 된다는 문제가 있었다. 최초의 특이점, 즉 우주의 시초에서 어떤 일이 발생하였는지 알 수 없다면, 이는 우주의 탄생 이후를 예측할 수 없다는 결론으로 이어진다. 따라서 호킹은 특이점이 없는 시공을 생각해야 했고, 이후 허수 시간이라는 개념을 도입함으로써 이 문제를 해결했다. 허수 시간은 실수 시간에 수직인 시간으로, 이 개념에서는 시간이 공간의 네 번째 축이 된다. 따라서 허수 시간이 공간의 또 다른 차원처럼 작용하게 되고, 허수 시간의 흐름은 구의 표면과 같이 경계가 없는 닫힌 표면처럼 행동할 수 있게 되어 블랙홀은 특이점을 가지지 않게 된다.

블랙홀에서 방출되는 호킹 복사 발견
호킹은 블랙홀에 대한 관찰 증거가 전혀 없던 1970년부터 이에 대한 연구를 시작하였다. 그는 블랙홀끼리 충돌해 하나의 블랙홀이 될 경우, 기존 블랙홀들 경계의 면적의 합보다 최종적인 블랙홀 경계의 면적이 더 넓어지는 것을 발견했다. 이는 동일한 외양을 가지는 블랙홀이 내적으로 가질 수 있는 다양한 상태의 개수를 시사한다는 점에서 엔트로피3)와 비슷하다. 하지만, 블랙홀의 면적을 엔트로피와 바로 동일시할 수는 없었다. 블랙홀이 엔트로피를 가진다면 온도를 가져야 하고, 온도가 있다면 다른 천체들처럼 빛을 방출해야 하기 때문이다. 이전까지 블랙홀은 모든 것을 흡수하며 빛조차 방출하지 않는다고 알려져 블랙홀이 엔트로피를 가진다는 사실은 기존의 이론에 반하는 결과였다. 하지만 호킹은 블랙홀의 모든 특성은 질량과 각운동량만으로 특징지어진다는 털없음 정리(No-hair Theorem)를 증명해 블랙홀이 엔트로피를 가진다는 또 다른 증거를 발견했다. 털없음 정리에 의하면 서로 다른 별들이 붕괴하더라도 동일한 질량과 각운동량을 가진 블랙홀이 만들어질 수 있기 때문에 같은 특성을 가지는 블랙홀이라도 서로 다른 내적 상태를 가지는 블랙홀이 있을 수 있고, 이는 블랙홀이 엔트로피를 가진다는 증거가 된다.
이후 호킹은 블랙홀에서 호킹 복사가 방출됨을 증명함으로써 블랙홀 경계의 면적을 엔트로피와 동일시하였다. 이는 호킹의 위대한 업적 중 하나로, 호킹 복사가 방출될 경우 복사의 형태로 에너지가 나오게 되어 블랙홀의 질량이 감소하고, 결국에는 블랙홀이 증발하여 사라짐을 의미한다. 그는 양자장4)들이 블랙홀과 충돌할 경우 파동의 일부는 블랙홀에 흡수되고, 나머지는 산란하여 블랙홀에서 파동이 방출되리라고 생각하였다. 호킹은 블랙홀이 가지는 엔트로피와 블랙홀 경계의 면적이 서로 비례하는 수식을 발견했으며, 이는 열과 중력 사이에 일정한 연관이 있음을 뜻한다. 그는 호킹 복사가 정확하게 열적이고 무작위하다는 것을 보였으며 앞서 설명한 허수 시간을 이용하여 블랙홀이 절대영도가 아닌 온도를 가진 물체처럼 운동하며 엔트로피를 가지는 이유를 설명했다.
1974년, 호킹은 왕립학회 회원의 최연소 회원으로 선출되었으며, 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology, CALTECH)에서 호킹 복사의 관측 가능성에 대하여 연구하였다. 태양과 같은 질량을 가지는 블랙홀의 복사는 100만 분의 1K로 절대 영도와 거의 일치해, 2.7K의 마이크로파 배경복사에 묻혀 관측이 거의 불가능하다. 그러나 빅뱅 때 발생한, 질량이 산 하나 정도인 원시 블랙홀은 감마선을 방출한다. 호킹은 감마선 배경복사에서 블랙홀 복사를 찾으려 노력하였지만 성공하지는 못하였다. 하지만 그는 비슷한 질량을 가지는 블랙홀의 개수밀도의 상한선을 찾고, 우리 주변에서는 해당 블랙홀들을 찾을 가능성이 작음을 알아냈다.

우주론 소개하는 <시간의 역사> 저술
1979년에 호킹은 케임브리지 대학에서 아이작 뉴턴(Isaac Newton)과 폴 디랙(Paul Dirac)이 맡았던 루카스 수학 석좌 교수로 선출되었으며, 1982년에는 우주에 대한 이론을 일반 대중에게 소개하기 위해 우주에 대한 책을 쓰기로 결심한다. 그는 우주에 대한 우리의 지식이 어디까지 이르렀는지 설명하고, 공항의 서점에서 팔릴 만큼 비전문가들도 이해할 수 있는 책을 작성하기 위해 2년여간 노력한다. 이렇게 탄생한 책인 <시간의 역사(A Brief History of Time)>는 전세계적으로 선풍적인 인기를 끌었다. 뉴욕 타임스(The New York Times), 런던 선데이 타임스(The Times & The Sunday Times)에서 각각 147주일, 237주일 동안 베스트셀러 목록에 올라 신기록을 달성하였으며, 40개 언어로 번역되어 천만 부가 넘게 팔렸다.
월스트리트저널(The Wall Street Journal)은 <시간의 역사>를 “오늘날 물리학자들이 가지고 있는 개념들이 무엇을 토대로 그리고 어떻게 형성되었는지를 보여주는 뛰어난 개설서이다”라고 평하기도 하였다. 이 책에서 호킹은 과거 과학자들이 우주에 대해 연구했던 내용들을 다뤘으며, 빅뱅 이론, 블랙홀과 특이점, 시간의 화살 등 다양한 내용들을 독자에게 설명한다. 또한, 호킹은 ‘우주의 본질은 과연 무엇인가? 그 속에서 우리의 자리는 어디이며, 우주와 우리는 어디에서 왔는가?’라는 질문을 던지고 우주에 대한 대중들의 관심을 불러일으킨다. 그는 <시간의 역사> 이후에도 <호두껍질 속의 우주(The Universe in a Nutshell)>, <위대한 설계(The Grand Design)> 등의 책들을 저술해, 사람들에게 과학 지식을 알리기 위해 노력하였다.

병의 악화로 음성 합성기 사용 시작해
1985년에 호킹은 유럽 입자 물리 연구소(European Organization for Nuclear Research, CERN)로 이동하던 중, 폐렴에 걸려 인공호흡기를 착용하고 병원에 입원한다. 이때 입원한 병원의 의사는 그가 나아질 가망이 없다는 이유로 호흡기를 뗄 것을 추천하였지만, 그는 기관절개 수술을 받고 기관에 관을 삽입하는 수술을 거쳐 생을 이어갈 수 있었다. 수술 이전에도 병이 악화되어 발음이 불분명해지고 있었으나, 수술 이후에는 완전히 말을 할 수 없게 돼 한동안은 눈썹을 이용한 방법 외에는 의사소통할 길이 없었다. 하지만 월트 월토즈(Walt Woltosz)가 개발한 프로그램을 이용해 단어를 선택하면 음성 합성기로 이를 출력할 수 있게 되었고, 그는 이 기술의 도움을 받아 책, 논문 집필 및 강연을 이어나간다. 월트 월토즈는 이후 뺨의 움직임을 인식해 문장을 만들 수 있도록 하는 워즈 플러스(Words Plus)를 만들고, 이 음성 합성기의 목소리는 호킹을 대표하는 상징 중 하나가 되었다.
호킹의 병은 이후에도 악화되었다. 기관절개 수술을 받은 이후 그는 계속해서 기관에 플라스틱 관을 삽입해놓고 살았는데, 이 관을 고정하기 위해 사용한 고리 모양 구조물의 압력으로 인해 기침과 숨이 막히는 증상이 심해졌다. 그는 목에서 기관을 완전히 분리하는 후두절제 수술을 추가로 진행하였고, 목에서 관을 제거하였다. 하지만 몇 년 후에 혈중 산소농도가 크게 떨어져 4개월간 입원치료를 받았고, 이후에는 인공호흡기를 달고 살게 되었다. 이러한 고비들이 있었지만, 그는 강연과 저술을 계속해서 이어나갔다.

장애 극복하고 평생 연구활동 계속해
호킹은 ‘장애가 걸림돌이 되지 않는 일에 집중하고 자신이 할 수 없는 일을 아쉬워하지 말아야 한다고 믿는다’라며 자신이 알차고 흡족한 삶을 살았다고 스스로 평하였다. 그는 과학자로서의 경력에서도 자신의 장애가 걸림돌이 아닌 장점이라고 생각하였다. 그 덕분에 강의나 교육의 의무를 지지 않았고, 각종 위원회에 참가하지 않고 연구에 몰두할 수 있었기 때문이다. 또한, 그는 세계 여행이나 무중력 체험과 같은 활동도 진행하였으며, 2012년 런던에서 개최된 제14회 패럴림픽의 개막식에서 많은 청중을 상대로 연설하였던 것을 행운으로 여겼다. 그는 종이와 연필조차 사용하지 않고 오직 두뇌만으로 사고실험을 진행하였지만, 블랙홀과 빅뱅 연구에 있어서 20세기 최고의 이론 물리학자였다. 그에게 있어서 장애는 세간의 시선과 달리, 사고의 날개였다.

스티븐 호킹은 2018년 3월 14일, 병의 악화로 타계한다. 살아생전 특이점 정리, 호킹 복사와 같이 우주론에 큰 획을 긋고, 우주 연구의 선구자였던 그의 죽음은 세상에 큰 충격을 안겼다. 그의 죽음 이후, 그가 타계하기 불과 2주 전에도 우주 탄생에 대한 논문을 제출하였다는 것이 알려지며 마지막까지 스티븐 호킹은 연구자로서의 표방이 되었다. 그는‘이론물리학을 연구하며 살아온 세월은 영광스러웠다. 내가 우주에 대한 우리의 지식에 무언가를 보탰다면, 나는 행복하다’는 말로 자서전을 마친다. 호킹에게 있어서 우주의 비밀을 밝혀내는 과정은 삶의 동력이 아니었을까.

1) 특이점
시공의 곡률, 또는 어떤 다른 물리량이 무한대가 되는 점.
2) 특이점 정리
특정 상황에서는 특이점이 존재해야만 하며, 특히 우주가 특이점에서 시작되었음을 증명한 정리.
3) 엔트로피
열량과 온도에 관계되는 물질계의 상태를 나타내는 열역학적 양의 하나. 통계역학적인 정의로는 전체적인 모습이 변하지 않는다는 조건하에서 어떤 계를 이루는 부분들을 재배열할 수 있는 방식의 개수.
4) 장(場)
한 시점에 오직 한 점에서만 존재하는 입자와는 달리 시간과 공간 전체에 존재하는 어떤 것.

참고도서 | <나, 스티븐 호킹의 역사>, <그림으로 보는 시간의 역사>, <위대한 설계>, 스티븐 호킹, 까치

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