블랙홀 정보 역설 해결할 방법 발견?

양자 물리학 법칙은 물질 상태가 변화해도 이 정보가 손실되지 않고 변화 후 형태에 저장된 정보로부터 과거 상태를 알 수 있다. 하지만 거대한 천체가 붕괴되어 형성되는 블랙홀에 있어선 원래 정보가 없어져 버리는 블랙홀 정보 역설(Black hole information paradox)이 생긴다. 이 역설에 대해 하비에르 칼멧(Xavier Calmet) 영국 서섹스대학 물리학 교수가 블랙홀 정보 역설을 해결하는 방법을 발견했다고 보고했다.

블랙홀은 빛조차도 탈출할 수 없는 초고밀도이고 대질량 천체이며 질량, 전하, 각운동량 3개 물리량만으로 특정 지을 수 있다. 이를 블랙홀 무모의 정리(No-hair theorem)라고 한다. 블랙홀은 일반 천체와는 다른 존재지만 양자 물리학적으로 생각하면 정보는 불멸이기 때문에 블랙홀이 됐다고 해도 정보가 손실되지 않을 것이다. 하지만 블랙홀에 흡입되면 물리적 정보가 손실되기 때문에 영국 이론 물리학자인 스티븐 호킹은 블랙홀로부터 정보를 보존하지 않는 열적 방사, 일명 호킹 방사가 있다고 제창했다. 이 방사에 의해 정보가 우주에서 잃는 현상을 블랙홀 정보 역설이라고 명명했다.

블랙홀 정보 역설은 많은 과학자를 괴롭히고 있으며 해결책에 대해 다양한 설이 검토되어 왔다. 칼멧 교수는 블랙홀 정보 역설은 양자 물리학에서 인정되지 않았다며 양자 물리학은 블랙홀의 평생을 되감을 수 있다고 가정한다며 결국 별을 다시 만들 수 있을 것이라고 말한다.

칼멧 교수는 2021년부터 블랙홀 정보 역설 연구에 임해왔다. 2023년 3월 호킹 등이 검토하지 않은 양자중력이론 영향을 고려한 연구 결과를 발표했다. 연구팀은 물질이 블랙홀에 의해 붕괴될 때 이 중력장에 희미한 흔적을 남길 것이라고 생각했다. 이 흔적은 블랙홀 무모의 정리에 비춰 양자머리(quantum hair)로 불리고 있으며 블랙홀이 붕괴될 때 정보가 보존되는 메커니즘이 된다는 것. 이번에 발표된 이론에 따르면 다른 2개 블랙홀은 비록 질량과 반경이 같더라도 이 중력장에 미묘한 차이가 있다는 것이다.

칼멧 교수는 양자중력에 의한 보정은 극히 적지만 블랙홀 방사를 고려하는 데 중요하다며 다시 말해 양자중력을 고려하면 호킹 방사는 정보를 포함할 수 있다는 것.

현재 호킹 방사를 측정하기 위한 충분한 장비가 없기 때문에 천체 관측을 통해 칼멧 이론을 테스트하는 분명한 방법은 없다. 칼멧 교수는 이 이론을 발전시키는 한 가지 방법으로 지구상 연구소에서 블랙홀 시뮬레이션을 연구하는 걸 제안하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.