우리 시대 가장 위대한 지성 스티븐 호킹
블랙홀에 대한 그의 마지막 강연

‘호킹지수’를 아십니까?
실제로 끝까지 읽을 수 있는
열독률 100%의 책!

왜 스티븐 호킹의 ‘블랙홀’이 유명한가?
호킹복사, 정보모순, 그리고 블랙홀 열역학
1967년 미국의 이론물리학자 존 아치볼드 휠러(John Archibald Wheeler)가 강의에서 ‘블랙홀(black hole)’이라는 말을 사용한 이후 블랙홀이라는 용어는 ‘얼어붙은 별(frozen star)’이라는 말을 대체하며 빠르게 확산되어 일반적으로 사용되었다. 영국의 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 1970년대 초에 진행한 연구를 통해 ‘블랙홀 열역학’이란 학문을 정립했다. 블랙홀 열역학에서는 블랙홀의 성질이 그 질량을 에너지로, 크기를 엔트로피로, 표면중력을 온도로 치환시키면 열역학 법칙과 매우 유사해짐을 보였다. 1974년 양자장론에 따르면 블랙홀은 그 표면중력에 비례하는 온도의 흑체와 같은 복사를 내보낸다는 것을 호킹이 예측함으로써 블랙홀의 열역학적 설명이 완성되었다. 즉, ‘사건의 지평선(event horizon)’은 블랙홀의 질량에 반비례하는 온도를 가진 흑체와 같은 스펙트럼의 열복사를 방출하며, 이를 ‘호킹복사(Hawking radiation)’라고 한다. 호킹이 이 ‘호킹복사’를 발견함으로써 블랙홀에 대한 논쟁과 연구가 가속화되었다. 그리고 현세대의 과학자들은 아직까지도 블랙홀에 매달리고 연구하고 있다.
블랙홀이란 한마디로 말해 표면의 중력이 아주 강력한 천체이다. 블랙홀은 강력한 중력으로 인해 입자나 전자기 복사를 비롯한 그 무엇도 빠져나올 수 없다. 일반상대성이론은 충분히 밀집된 질량이 시공을 뒤틀어 블랙홀을 형성할 수 있음을 예측한다. 블랙홀로부터의 탈출이 불가능해지는 경계를 ‘사건의 지평선’이라고 한다. 어떤 물체가 사건의 지평선을 넘어갈 경우, 그 물체에게는 파멸적 영향이 가해지겠지만, 바깥 관찰자에게는 속도가 점점 느려져 그 경계에 영원히 닿지 않는 것처럼 보인다. 블랙홀은 빛을 반사하지 않기에 이상적 흑체처럼 행동한다.


스티븐 호킹, 블랙홀과 천체물리학의 핵심을 말하다
이종필 교수, 정확한 번역과 친절한 해설을 추가하다
신간 『스티븐 호킹의 블랙홀: BBC가 방송하고 이종필이 해설하다』의 원서는 『Black Holes: The BBC Reith Lectures』이다. 영국 BBC 라디오 4(BBC Radio 4)의
<리스 강연(the reith lectures)>
중 스티븐 호킹이 2016년 1월 26일과 2월 2일 두 차례 강연했는데, 강연 하나당 15분 동안 이루어졌다. 이 강연에 BBC 뉴스 과학편집자인 데이비드 슈크먼(David Shukman)이 주석을 달고 머리말을 써서 책으로 엮어 2016년에 출간했다(존 리스(John Reith)는 영국의 유명한 저널리스트이다). 이렇게 출간된 원서는 약 70쪽의 적은 분량이다. 휠체어에 부착된 음성합성기로 강연을 한 내용을 책으로 엮은 것이기 때문에 그 분량이 많지 않다. 하지만 국내에 출간된 책은 이종필 교수(건국대학교 상허교양대학)가 원서를 번역하고, 누구나 이해하기 쉽도록 역시 이종필 교수가 블랙홀과 관련한 친절하고도 상세한 해설을 뒷부분에 추가했다. 즉, 블랙홀에 대해서 ‘스티븐 호킹이 강연하고, 영국 BBC가 방송하고, 이종필 교수가 해설한 책’이 『스티븐 호킹의 블랙홀』이다.

번역 및 해설을 한 이종필 교수는 “스티븐 호킹은 널리 알려져 있듯이 건강상의 이유로 많은 양의 글을 쓰거나 장시간의 강연을 하기 어렵다. 이 책에서도 호킹은 핵심적인 내용을 간략하게 요약하고 압축해서 전달하고 있다. BBC 뉴스의 과학편집자인 데이비드 슈크먼이 적절한 해설을 붙이기는 했지만 여전히 비전공자가 블랙홀의 호킹복사나 정보모순을 쉽게 이해하기에는 부족한 점이 많다. 한국어 번역자로서 나는 이 부족함을 메우고자 주제넘게 해설의 글을 덧붙이게 되었다”라고 말하며 이 책의 번역과 해설의 의의를 밝히고 있다.

‘호킹지수(Hawking Index)’라는 말이 있다. ‘책을 구입한 독자가 실제로도 책을 읽었는가를 따져보는 수치’이다. 책을 구입하기는 했지만 정작 몇 장 읽지 못하고 끝까지 정독하지 못한 책일수록 호킹지수는 낮아진다. 세계적으로 1,000만 부 이상 팔린 스티븐 호킹의 저서 『시간의 역사』의 호킹지수가 6.6%라고 한다. 하지만 신간 『스티븐 호킹의 블랙홀』은 블랙홀에 대한 호킹 박사의 견해를 생생하고 정확하게 알 수 있을 뿐 아니라, 원서의 분량 자체도 적어서 부담이 없고, 또한 BBC의 과학편집자가 보충이 필요한 곳에는 주석을 달았다. 거기에 국내에서 이론물리학과 블랙홀 등에 대한 다양한 저술과 번역을 하고 있는 이종필 교수가 친절하고 상세한 번역 및 해설을 더했다. 책을 사고도 어려워서 읽다가 포기하거나 분량이 많아서 버거워서 못 읽는 경우가 있지만, 『스티븐 호킹의 블랙홀』은 부담스럽지 않은 분량으로 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 블랙홀과 천체물리학에 대해 가장 핵심적인 내용만 이야기하고 있다.





평생 우주를 연구하다가
우주로 돌아가 별이 된 천재 물리학자

2018년 3월 14일, 세계적인 천재 물리학자이자 케임브리지대학교 루커스 석좌교수인 스티븐 호킹(Stephen Hawking) 박사가 76세의 나이로 세상을 떠났다. 우주에 대해 많은 호기심을 갖고 연구를 한 그가 우주로 돌아간 것이다. 그는 대중적 인지도가 높았을 뿐만 아니라 뉴턴과 아인슈타인의 뒤를 잇는 물리학자로 추앙받았다.

호킹은 ‘특이점 이론’, ‘호킹복사 이론’ 등으로 천체물리학을 대중에게 널리 알렸다. 과학 교양서적을 집필하고 다양한 방송에 출연하며 과학 대중화에 힘썼다. 또한 사회적 문제도 외면하지 않았다. 핵무기 감축운동 등에 참여했고, 인공지능으로 인해 인류가 멸망할 수 있음을 경고했다. 스티븐 호킹의 무엇보다도 가장 큰 업적은 많은 이들에게 희망을 전했다는 점이다. 루게릭병이라는 장애에도 불구하고 강인한 의지로 한계를 극복하며 장애가 없는 사람보다 더 많은 일들을 해냈다.

호킹은 2012년 런던 패럴림픽 개막식에서 “당신 발을 내려다보지 말고, 고개를 들어 별을 바라보라”라는 유명한 말을 했다. 21세에 루게릭병 진단과 함께 2년의 시한부 선고를 받았지만, 55년 동안 뛰어난 물리학 이론들을 세워 우주 과학 역사에 큰 획을 그었다. 스티븐 호킹은 영국의 웨스트민스터 사원에 아이작 뉴턴과 찰스 다윈의 곁에 함께 묻혔다. 하지만 평생 별과 우주를 연구한 그는 정말 별이 되어 우주로 돌아갔다.

호킹은 복잡한 천체물리학을 명쾌하고 위트 있게 잘 버무려 설명할 줄 안다. 호킹의 두뇌는 특출 난 능력을 갖고 있다. _《옵서버》

그렇게 위대한 문제를 제기할 수 있을 만큼 그렇게 훌륭한 지성을 따라가다 보면 흥분을 감추지 못할 것이다. _《선데이 타임스》

호킹은 빅뱅과 우주의 시작이라는 아이디어를 논리적이고 생각 가능한 수준으로 만드는 데에 아인슈타인 이후 그 어느 물리학자보다 확실히 더 많은 일을 했다. _《뉴스데이》

아인슈타인 이후 가장 빛나는 과학 지성 가운데 한 사람. _《데일리 익스프레스》

호킹은 물리학이라는 성직의 고위 사제이다. 신의 마음을 막 읽어낼 것 같은 몇 안 되는 이론가들 중 한 사람이다. _《LA 타임스》

천재적이고 독창적이며 비극적이면서도 큰 성공을 거둔 호킹은 아리스토텔레스와 코페르니쿠스에서 갈릴레오와 뉴턴을 거쳐 아인슈타인과 마침내 호킹 그 자신에 이르기까지 우주론에 대한 현대적인 사고가 어떻게 진화했는지 우리에게 친절히 알려준다. _《시드니 모닝 헤럴드》

때로는 사실이 허구보다 더 기이하다는 말이 있습니다. 블랙홀보다 더 이 말이 맞는 경우는 없습니다. 블랙홀은 SF 작가들이 상상했던 그 어느 것보다 더 기이하지만, 확고하게도 과학적 사실에 관한 문제입니다. 과학계가 무거운 별은 자체 중력에 의해 스스로 붕괴할 수 있음을 깨닫기까지, 그리고 그 뒤에 남겨진 천체가 어떻게 행동할 것인지 고민하기까지 시간이 꽤 걸렸습니다. 알베르트 아인슈타인은 심지어 1939년에 별이 중력에 의해 붕괴할 수 없다고 주장하는 논문을 썼습니다. 물질은 어떤 특정한 점을 넘어서 압축될 수 없기 때문이라는 것이 그 이유였습니다. 많은 과학자들이 아인슈타인의 육감에 공감했습니다. 미국의 과학자인 존 휠러는 주동자급 예외였습니다. 휠러는 많은 면에서 블랙홀 이야기의 영웅입니다. 휠러는 1950년대와 1960년대의 연구를 통해 많은 별이 결국에는 붕괴할 것이라 강조했고, 그 가능성이 이론물리학에 제기할 문제점들을 지적했습니다. 그는 또한 붕괴한 별의 결과로 남는 천체, 즉 블랙홀의 많은 성질들을 예견했습니다.
/ 「블랙홀은 털이 없을까?」, 17쪽

1967년 존 휠러가 ‘블랙홀’이라는 단어를 도입하자 그 이전의 ‘얼어붙은 별’이라는 이름을 대체해버렸습니다. 휠러의 신조어는, 붕괴한 별의 잔해는 그 자체로 그것이 어떻게 형성되었는지와 무관하게 흥미롭다는 점을 강조한 것이었습니다. 새 이름은 즉시 인기를 끌었습니다. 뭔가 어둡고 신비스러운 분위기를 풍기고 있었습니다. 그런데 프랑스인들은, 프랑스인들이었기 때문에, 좀 더 음란한 의미를 포착했습니다. 수년 동안 프랑스인들은 외설적이라 하여 trou noir라는 이름에 반대했습니다. 하지만 이는 le weekend나 다른 프랑스어화된 영어에 맞서려고 하는 것과 좀 비슷했습니다. 결국엔 항복하는 수밖에 없었습니다. 그렇게 성공적인 작명에 어떻게 반대할 수 있단 말인가요?
/ 「블랙홀은 털이 없을까?」, 26쪽

바깥에서는 블랙홀이 존재하는지 아닌지를 확신할 수 없습니다. 그래서 블랙홀이 있지 않을 가능성이 항상 존재합니다. 이 가능성은 정보를 충분히 보존할 수 있습니다. 그러나 정보가 아주 유용한 형태로 돌아오지는 않습니다. 마치 백과사전을 태우는 것과도 같습니다. 모든 연기와 재를 보관할 수 있다면 정보는 사라지지 않습니다. 그러나 그것을 읽기는 어렵습니다. 킵 손과 나는 블랙홀에서 정보가 사라진다는 것을 두고 다른 물리학자인 존 프레스킬과 내기를 했습니다. 나는 정보가 어떻게 보존되는지를 알게 된 뒤에 내기에서 졌음을 인정했습니다. 나는 존 프레스킬에게 백과사전을 줬습니다. 아마도 백과사전을 태운 재를 줬어야 했을 것 같습니다.
/ 「블랙홀은 흔히 블랙홀이 칠해져 있는 것처럼 검지 않다」, 60쪽

블랙홀이란 한마디로 말해 표면의 중력이 아주 강력한 천체이다. 우리가 살고 있는 지구는 당연히 블랙홀이 아니다. 지구 표면에서의 중력이 그리 강력하지 않기 때문이다. 그렇다면 표면중력이 얼마나 강력해야 블랙홀이 될까? 그 천체의 중력을 벗어나기 위한 최소한의 속도(흔히 ‘탈출속도’라고 부른다)의 크기가 광속보다 크면 블랙홀이다. 탈출속도의 크기가 광속보다 크다는 이야기는 빛조차도 그 천체 밖으로 빠져나오지 못한다는 말이다. 이런 천체를 멀리서 바라본다면 정말로 검게 보일 것이다. 그 어떤 빛도 빠져나오지 못하기 때문이다. 옛 사람들은 여기에다 ‘어둑별dark star’이라고 하는, 아주 그럴듯한 이름을 붙였다.
/ 「블랙홀이란 무엇인가」, 74-75쪽

사건의 지평선은 말하자면 ‘불귀점不歸點’이다. 이 경계를 넘으면 다시는 밖으로 빠져나가지 못한다. 광속을 넘어서는 일은 상대성이론이 허용하지 않는다. 그래서 일방통행만 가능하다. 블랙홀 밖에서 블랙홀 안으로 들어갈 수는 있지만, 블랙홀 안에서 사건의 지평선 바깥으로 나갈 수는 없다. 이런 의미에서 사건의 지평선은 블랙홀의 내부와 외부를 가르는 경계면이다. 블랙홀의 크기는 사실상 사건의 지평선의 크기이다. 블랙홀 중심에서 사건의 지평선에 이르는 거리, 즉 사건의 지평선이라는 가상의 구면의 반지름의 길이를 슈바르츠실트 반지름이라고 한다. 슈바르츠실트 반지름이 결국 사건의 지평선의 크기, 즉 블랙홀의 크기를 결정한다. 이 반지름은 블랙홀의 질량에 정비례한다.
/ 「일반상대성이론과 블랙홀」, 105쪽

제1부 블랙홀
스티븐 호킹의 BBC 리스 강연

머리말
1. 블랙홀은 털이 없을까?
2016년 1월 26일 방송
2. 블랙홀은 흔히 블랙홀이 칠해져 있는 것처럼 검지 않다
2016년 2월 2일 방송


제2부 블랙홀이란 무엇인가
이종필 교수의 해설

1. 프롤로그
2. 블랙홀이란 무엇인가
3. 상대성이론의 등장
4. 일반상대성이론과 블랙홀
5. 블랙홀 열역학
6. 정보모순
7. 블랙홀 전쟁, 그리고 평화?
8. 다시 불구덩이 속으로
9. 덧차원과 마이크로 블랙홀
10. 에필로그