스티븐 호킹이 남긴 '블랙홀 정보 패러독스'가 해결될 가능성

양자물리학의 법칙에 따르면 물질의 상태가 변화해도 그 '정보'가 손실되지 않고 변화 후 형태에 저장된 정보로부터 과거의 상태를 알 수 있습니다. 그러나 거대한 천체가 붕괴되어 형성되는 블랙홀은 원래의 정보가 없어져 버리는 '블랙홀 정보 패러독스'가 생깁니다. 이 패러독스에 대해 영국의 서섹스 대학의 물리학 교수인 자비에르 카르멧 씨가 블랙홀 정보 패러독스를 해결하는 방법을 발견했다고 보고되었습니다.

Quantum gravitational corrections to particle creation by black holes - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.137820

‘Quantum hair’ could resolve Hawking’s black hole paradox, say scientists | Black holes | The Guardian
https://www.theguardian.com/science/2022/mar/17/quantum-hair-could-resolve-stephen-hawking-black-hole-paradox-say-scientists

‘Quantum hair’ could resolve Hawking’s black hole paradox, say scientists

블랙홀은 탈출할 수 없는 초고밀도 대질량의 천체가 질량, 전하, 각운동량이라는 3가지의 물리량만으로 특징지을 수 있습니다. 이를 블랙홀 털 없음 정리(no-hair theorem)라고 합니다.

블랙홀은 통상의 천체와는 다른 존재이지만 양자물리학적으로 생각하면 정보는 불멸이기 때문에 블랙홀이 되어도 정보가 손실되지 않을 것입니다. 그러나 블랙홀에 흡입되면 물리적 정보가 손실되기 때문에 영국의 이론물리학자 스티븐 호킹 씨는 블랙홀에서 정보를 보존하지 않는 열적방사(호킹방사) 가 있을 것이라며 이 방사로 정보가 우주에서 상실되는 현상을 '블랙홀 정보 패러독스'라고 명명했습니다.

블랙홀 정보 패러독스는 많은 과학자의 연구로 그 해결책에 대해 다양한 가설이 검토되어 왔습니다. 카르멧 씨는 "블랙홀 정보 패러독스는 양자물리학에서 인정되지 않았습니다. 양자 물리학은 블랙홀의 '평생'을 되감을 수 있다고 가정합니다. 그리고 최종적으로 별을 다시 만들 수 있다고 본다”고 설명했습니다.

카르멧 씨는 동료 스티브 수와 함께 2021년부터 블랙홀 정보 패러독스 연구에 임해 왔습니다. 그리고 2023년 3월 호킹 씨가 검토하지 않은 '양자중력 이론'의 영향을 고려한 연구결과를 발표했습니다.

연구팀은 물질이 블랙홀에 의해 붕괴될 때 그 중력장에 희미한 흔적을 남길 것으로 생각합니다. 이 흔적은 블랙홀 털 없음 정리를 고려해 'quantum hair'라고 불리고 있으며 블랙홀의 붕괴할 때에 정보가 보존되는 메카니즘이 된다는 것. 이번에 발표된 이론에 의하면 다른 2개의 블랙홀은 비록 질량과 반경이 같더라도 그 중력장에 매우 미묘한 차이가 있다는 것.

카르멧 씨는 “양자중력에 의한 보정은 극히 적지만 블랙홀의 방사를 고려하는 데는 중요합니다. 우리는 양자중력의 효과가 호킹방사를 바꾸고 방사선이 비열적이게 된다는 점을 제시하는 데 성공했습니다. 즉, 양자중력을 고려하면 호킹방사는 정보를 포함할 수 있습니다"라고 설명했습니다.

현시점에서는 호킹방사를 측정하기에 충분한 장비가 없기 때문에 천체관측을 통해 카르멧 씨의 이론을 테스트하는 확실한 방법은 없습니다. 카르멧 씨는 이 이론을 발전시키는 한 가지 방법으로 지구 상의 연구소에서 블랙홀의 시뮬레이션을 연구하는 것을 제안했습니다.

또한 영국 임페리얼 칼리지 런던의 이론물리학자인 토비 와이즈먼 씨는 카르멧 씨의 논문을 "좋은 결과물"이라고 평가하면서도 블랙홀에 의해 상실되는 정보 전체를 설명하는 것은 아니라며 "그들이 보여주지 않은 것이 역설의 핵심으로 이 역설을 해결하기 위해서는 양자역학과 중력이 어떻게 연결되는지 완전히 이해할 필요가 있다"고 보았습니다.