세계적인 물리학자 셋이 30년 가까이 이어진 내기를 걸었다. 블랙홀에 빠진 정보는 사라질까, 아니면 남을까.
이게 블랙홀 정보 역설 내기다. 스티븐 호킹은 사라진다는 쪽에 걸었다.
그런데 2004년에 호킹은 자기가 졌다고 인정했다. 30년 입장을 왜 바꿨는지 궁금해서 하나씩 풀어봤다.
1997년, 세 물리학자의 내기
1997년 스티븐 호킹과 킵 손, 존 프레스킬 세 사람이 공식 내기를 걸었다. 모두 세계 최고 수준의 물리학자다.
호킹과 킵 손은 블랙홀에 빠진 정보가 사라진다는 쪽이었다. 프레스킬은 정보가 어떻게든 남는다는 쪽이었다.
상금은 진 사람이 이긴 사람에게 백과사전을 사주는 것이었다. 정보를 마음껏 꺼내 볼 수 있는 물건이라는 뜻을 담았다.
내기 문서에 세 사람이 직접 서명까지 했다. 그만큼 진지한 승부였다.
물리학자들이 백과사전을 걸고 내기했다는 게 나는 좀 귀엽게 와닿았다.
블랙홀 정보 역설이 대체 뭔가
여기서 정보란 어떤 물건이 무엇으로 이루어졌는지에 대한 내용이다. 책 한 권의 글자 같은 것이다.
책을 태워도 재와 연기와 빛이 남는다. 원칙적으로 그걸 다 모으면 원래 내용을 되짚을 수 있다.
책을 찢어 태워도 정보가 원칙상 남는다는 게 핵심이다. 형태만 바뀔 뿐 내용이 통째로 증발하지는 않는다.
우주에는 정보가 완전히 사라지지는 않는다는 규칙이 있다. 총량이 장부처럼 맞아떨어져야 한다는 뜻이다.
그런데 책을 블랙홀에 던지면 문제가 생긴다. 블랙홀은 아주 천천히 증발해 언젠가 사라지기 때문이다.
블랙홀은 뭐든 삼키고 흔적도 없이 사라진다. 그럼 삼킨 정보는 대체 어디로 갔냐는 물음이 남는다.
블랙홀이 사라지면 그 안의 정보도 같이 없어질까. 이 물음이 바로 정보 역설이다.
증발 이야기는 블랙홀 증발을 다룬 글에 쉽게 풀어놨다.
호킹이 정보가 사라진다고 버틴 근거
호킹의 논리는 단순하고 강했다. 블랙홀에서 새어 나오는 빛인 호킹 복사가 열쇠였다.
이 빛은 안에 무엇을 넣었든 거의 똑같이 나온다. 같은 무게의 블랙홀이면 무엇을 삼켰든 같은 빛을 낸다.
그러니 그 빛에는 안의 정보가 담기지 않는다. 블랙홀이 다 증발하면 정보도 같이 사라진다는 뜻이다.
나도 처음엔 호킹 말이 맞는 것 같았다. 빛이 똑같이 나온다면 정보가 없어 보이니까.
이건 우주의 정보 보존 규칙을 깨는 대담한 주장이었다. 호킹은 이 입장을 30년 가까이 굽히지 않았다. 웬만한 반박에는 꿈쩍도 하지 않았다.
정보 역설 내기에서 호킹이 백기를 든다
1990년대 들어 반대쪽 논리가 힘을 얻었다. 정보가 블랙홀 표면에 남는다는 아이디어가 나왔다.
블랙홀 속을 3차원 방이라 하면, 그 정보가 벽면에 그림자처럼 새겨진다는 발상이다.
이 아이디어를 홀로그램에 빗대기도 한다. 평평한 필름에 입체 영상이 통째로 담기는 것과 비슷하다.
이런 흐름이 쌓이자 2004년 호킹이 마침내 자기가 틀렸다고 인정했다. 정보는 사라지지 않는다는 쪽으로 돌아선 것이다.
호킹은 약속대로 프레스킬에게 야구 백과사전을 사줬다. 30년 가까운 내기가 그렇게 마무리됐다.
거장이 공개적으로 자기 잘못을 인정하는 일은 과학에서도 드물다. 나는 이 대목이 오래 기억에 남았다.
그 뒤 정보 역설은 어떻게 됐나
사실 2004년까지도 정보가 어떻게 빠져나오는지는 확실히 몰랐다. 방향만 맞고 과정은 흐릿했다.
2019년에서 2020년 무렵, 정보가 실제로 새어 나온다는 걸 계산으로 보인 큰 진전이 있었다.
정보는 암호처럼 잘게 뒤섞인 채 호킹 복사에 조금씩 실려 나온다고 한다. 언뜻 보면 아무것도 안 나오는 듯 보인다.
책 한 권을 잘게 부숴 수많은 조각에 나눠 담은 것과 비슷하다. 조각만 봐서는 내용을 알 수 없다.
그러다 어느 시점을 넘어서면 그 조각을 맞춰 원래 정보를 되살릴 수 있다는 계산이다.
정보가 사라지지 않는다는 우주의 규칙이 블랙홀에서도 지켜진 셈이다. 이렇게 오래 걸린 문제가 풀려간다는 게 나는 좀 놀랐다.
찾아보니 이 문제는 이제 거의 풀렸다고 보는 분위기였다. 물론 세부는 지금도 연구가 이어진다.
정보 역설 자체가 궁금하면 블랙홀 정보 역설 이야기에 더 적어놨다.
천재도 틀리고, 틀리면 인정한다는 게 이 이야기에서 제일 멋있었다.
과학은 결국 이런 승복이 쌓여서 앞으로 나아가는 것 같다. 이 내기 하나에 그 과정이 고스란히 담겨 있다.
자주 묻는 질문
Q1. 블랙홀 정보 역설이 뭔가
A. 블랙홀에 빠진 정보가 블랙홀이 증발해 사라질 때 함께 없어지는가 하는 문제다. 우주의 정보 보존 규칙과 충돌해서 역설이라 부른다.
Q2. 누가 무엇을 걸고 내기했나
A. 1997년 호킹과 킵 손, 프레스킬이 걸었다. 정보가 사라지는지 남는지가 주제였고, 상금은 백과사전이었다.
Q3. 호킹은 왜 마음을 바꿨나
A. 정보가 블랙홀 표면에 남는다는 논리가 힘을 얻자, 2004년 자기가 틀렸다고 인정하고 정보 보존 쪽으로 돌아섰다.
Q4. 지금은 결론이 났나
A. 2019년 무렵 계산으로 정보가 실제로 새어 나온다는 게 단단해졌다. 거의 풀렸다고 보지만 세부 연구는 이어진다.
Q5. 정보는 어떻게 빠져나오나
A. 암호처럼 잘게 뒤섞인 채 호킹 복사에 조금씩 실려 나온다. 어느 시점을 넘으면 그 조각으로 원래 정보를 되살릴 수 있다.
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