1974년 스티븐 호킹이 발견한 블랙홀 복사는 일반상대성이론과 양자역학을 결합한 혁명적 이론으로, 블랙홀이 완전히 검은 것이 아니라 열복사를 방출하며 증발한다는 놀라운 사실을 밝혔습니다. 태양질량 블랙홀의 호킹 온도는 60나노켈빈으로 우주배경복사보다 차갑지만, 작은 블랙홀일수록 온도가 높아져 양자 크기의 블랙홀은 즉시 폭발합니다. 10^67년이라는 상상할 수 없는 시간 후 태양질량 블랙홀이 완전히 증발하며, 이 과정에서 정보가 파괴되는지에 대한 블랙홀 정보 역설은 현대 물리학의 가장 큰 난제입니다. 2019년 페이지 곡선 계산은 정보가 보존될 수 있음을 시사했고, 홀로그래피 원리는 블랙홀 정보가 2차원 표면에 인코딩 되어 있다는 혁명적 관점을 제시합니다. 원시 블랙홀이 암흑물질의 일부를 구성할 가능성과 함께 호킹 복사 검출 시도가 계속되고 있습니다.
가상입자가 실재가 되는 순간
1974년 캠브리지 대학의 스티븐 호킹은 블랙홀에 양자역학을 적용하던 중 충격적인 발견을 했습니다. 블랙홀이 복사를 방출한다는 것이었습니다. 이는 블랙홀에서 아무것도 빠져나올 수 없다는 기존 상식을 완전히 뒤집는 발견이었고, 처음에는 호킹 자신도 계산 실수라고 생각했습니다. 그러나 반복된 검증 끝에 이 현상이 진짜임을 확신하게 되었고, 이는 현대 물리학의 가장 중요한 발견 중 하나가 되었습니다. 호킹 복사의 원리는 양자 요동과 관련이 있습니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면, 진공에서도 끊임없이 입자-반입자 쌍이 생성되고 소멸합니다. 이들을 '가상입자'라고 부르는데, 매우 짧은 시간 동안만 존재하며 에너지 보존 법칙을 위반하지 않습니다. 평상시에는 이 가상입자들이 즉시 재결합하여 소멸하지만, 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서는 특별한 일이 일어납니다. 사건의 지평선 바로 바깥에서 생성된 가상입자 쌍 중 하나가 블랙홀로 떨어지고 다른 하나가 탈출하는 경우가 있습니다. 탈출한 입자는 더 이상 파트너와 재결합할 수 없으므로 실제 입자가 됩니다. 이것이 호킹 복사입니다. 에너지 보존을 위해 블랙홀로 떨어진 입자는 음의 에너지를 가져야 하며, 이는 블랙홀의 질량을 감소시킵니다. 흥미로운 점은 호킹 복사가 완벽한 흑체복사라는 것입니다. 블랙홀은 특정 온도를 가진 열적 물체처럼 행동하며, 이 온도를 '호킹 온도'라고 부릅니다. 놀랍게도 이 온도는 블랙홀 질량에 반비례합니다. 큰 블랙홀일수록 차갑고, 작은 블랙홀일수록 뜨겁습니다. 이는 직관과 반대되는 특성으로, 블랙홀이 에너지를 잃으면서 오히려 더 뜨거워진다는 것을 의미합니다.
10^67년의 기다림: 블랙홀 증발 과정
호킹 복사로 인한 블랙홀 증발은 상상을 초월할 정도로 느린 과정입니다. 태양질량 블랙홀의 호킹 온도는 약 60나노켈빈으로, 현재 우주배경복사 온도인 2.7켈빈보다 훨씬 차갑습니다. 이는 태양질량 블랙홀이 실제로는 우주배경복사를 흡수하여 성장하고 있다는 의미입니다. 진정한 증발이 시작되려면 우주가 훨씬 더 차가워져야 합니다. 블랙홀 증발률은 질량의 세제곱에 반비례합니다. 수식으로 표현하면 dM/dt ∝ -1/M² 입니다. 이는 작은 블랙홀일수록 빨리 증발한다는 의미입니다. 태양질량 블랙홀이 완전히 증발하는 데는 약 10^67년이 걸립니다. 이는 현재 우주 나이의 10^57배에 달하는 시간으로, 사실상 영원에 가깝습니다. 그러나 달 질량 정도(10^22kg)의 블랙홀은 현재 우주 나이와 비슷한 시간에 증발합니다. 더 작은 블랙홀은 훨씬 빨리 증발합니다. 10^12kg(작은 소행성 질량)의 블랙홀은 약 30억 년 만에 증발하고, 10^9kg의 블랙홀은 단 1초 만에 완전히 증발합니다. 이론적으로 빅뱅 직후 형성된 원시 블랙홀 중 10^15kg보다 가벼운 것들은 이미 증발했을 것입니다. 블랙홀 증발의 마지막 단계는 극적입니다. 질량이 감소하면서 온도가 상승하고, 이는 더 빠른 증발을 일으킵니다. 이런 양의 되먹임은 결국 폭발적인 최후로 이어집니다. 마지막 0.1초 동안 10^28줄의 에너지가 방출되는데, 이는 수백만 개의 수소폭탄이 동시에 터지는 것과 같습니다. 이 최종 폭발에서는 모든 종류의 기본입자들이 방출됩니다. 쿼크, 렙톤, 게이지 보손 등이 플랑크 에너지에 가까운 상태로 분출되며, 이는 초기 우주의 조건을 재현합니다. 일부 이론가들은 이런 블랙홀 폭발이 초고에너지 우주선의 원천일 수 있다고 제안했지만, 아직 관측된 적은 없습니다.
정보 역설과 홀로그래피 원리
호킹 복사는 '블랙홀 정보 역설'이라는 심각한 문제를 제기합니다. 양자역학의 기본 원리 중 하나는 정보가 절대 파괴될 수 없다는 것입니다. 그러나 호킹 복사는 완전히 무작위적인 열복사로, 블랙홀에 떨어진 물질의 정보를 담고 있지 않습니다. 블랙홀이 완전히 증발하면 그 안의 정보는 어디로 가는 걸까요? 호킹은 처음에 정보가 실제로 파괴된다고 주장했지만, 이는 양자역학의 근본을 흔드는 주장이었습니다. 30년간의 논쟁 끝에 2004년 호킹은 자신의 입장을 바꾸고 정보가 보존된다고 인정했습니다. 그러나 구체적인 메커니즘은 여전히 미스터리입니다. 2019년 중요한 진전이 있었습니다. 제프리 페닌턴과 동료들이 페이지 곡선을 계산하는 데 성공한 것입니다. 이들은 양자 극한 표면과 아일랜드 공식을 사용하여 호킹 복사의 엔트로피가 처음에는 증가하다가 페이지 시간 이후 감소한다는 것을 보였습니다. 이는 정보가 실제로 호킹 복사에 인코딩 되어 나온다는 증거입니다. 홀로그래피 원리는 더욱 급진적인 해결책을 제시합니다. 이 원리에 따르면 블랙홀의 모든 정보는 3차원 부피가 아닌 2차원 사건의 지평선 표면에 저장됩니다. 베켄슈타인-호킹 엔트로피 공식 S = A/4(플랑크 면적 단위)는 이를 수학적으로 표현합니다. 이는 우리 우주 자체가 더 높은 차원의 경계면에 인코딩 된 홀로그램일 수 있다는 놀라운 가능성을 시사합니다. 최근 연구는 '소프트 헤어'라는 개념을 제안했습니다. 스티븐 호킹, 말콤 페리, 앤드루 스트로민저는 블랙홀이 소프트 광자와 중력자로 이루어진 '헤어'를 가질 수 있으며, 이것이 정보를 저장할 수 있다고 주장했습니다. 이는 "블랙홀은 머리카락이 없다"는 무모 정리에 대한 재해석입니다. 파이어월 역설은 또 다른 논란을 제기했습니다. 2012년 AMPS(Almheiri, Marolf, Polchinski, Sully)는 정보 보존과 양자역학의 일관성을 유지하려면 사건의 지평선에 극도로 뜨거운 '파이어월'이 존재해야 한다고 주장했습니다. 이는 등가원리와 충돌하여 새로운 패러독스를 만들었습니다.