우주의 침묵을 깨다
- NASA가 들려주는 2억 4천만 광년 밖 블랙홀의 노래
눈에 보이지 않는다고 해서 거기에 아무 것도 없는 것은 아니다.
귀에 들리지 않는다고 해서 거기에 아무 소리가 없는 것은 아니다.
18세기가 되기 전의 인류를 자연 속에 있는 전기를 알지 못했다. 또 그들은 진화론도 알지 못하고, 지동설도 알지 못했다. 심지어 2600년 전 사람 고타마 붓다가 본 공(空, Śūnyat)를 똑바로 안 사람은 오로지 나가르주나와 쿠마라 지바 두 사람 뿐이었다. 사실은 그들도 오늘날 양자역학으로 설명되는 그 공을 본 것은 아니다.
그러니 더 멀리, 더 깊이, 더 자세하게 알아야 한다.
아름다워라, 우리 세상. 놀라워라, 우리 세상!
이 글은 한 편이 아니다. 또 다른 질문이 있고, 또또 다른 질문이 있고, 또또또 다른 질문이 있다.
또 다른 질문 > 진공은 정말 아무것도 없는 공간일까
또 또 다른 질문> * '미시적인 소립자의 진공 요동'은 대체 뭐람?
또 또 또 다른 질문 / 우주 공간으로 도망친 입자가 곧 결코 소멸하지 않는 우리들을 포함한 우주의 모든 정보인가?
끝까지 읽어봐야 진실에 조금 더 가까이 다가간다.
물론 이해하라고 쓰는 글은 아니다. 내가 필요해서 쓰는 글이다. 다만 마은주, 박미랑은 이해해야만 한다.
"우주에서는 아무도 당신이 지르는 비명을 들을 수 없다."는 말은 오늘부터 진실이 아니다
영화 <에일리언>의 유명한 카피처럼, 우리는 우주를 완전한 진공이자 고요한 침묵의 공간으로 알아왔다. 하지만 이 상식을 뒤집는 기괴하고도 신비로운 '우주의 소리'가 마침내 인류의 귀에 도달했다.
미국 항공우주국(NASA)이 지구에서 약 2억 4천만 광년 떨어진 페르세우스 은하단 중심부의 블랙홀이 내는 실제 소리를 변환해 공개했다. 우주의 심연에서 울려 퍼지는 이 소리는 마치 SF 영화 속 외계 생명체의 숨소리나 으스스한 바람 소리를 연상시킨다.
- 진공의 우주에서 어떻게 소리가 날까?
물리학은, 소리는 공기나 물 같은 매질이 있어야 전달된다고 말한다. 그렇다면 우주 한가운데서 어떻게 소리가 울려 퍼질 수 있었을까?
비밀은 페르세우스 은하단의 독특한 환경에 있다. 이곳은 수천 개의 은하가 빽빽하게 모여 있는 곳으로, 은하들 사이사이를 엄청난 양의 뜨거운 가스가 가득 채우고 있다.
이 중심에 위치한 거대한 블랙홀이 강력한 에너지를 뿜어내며 주변 가스에 압력파를 내보내는데, 이 압력파가 가스를 잔잔한 호수의 파문처럼 흔들면서 거대한 '우주 음파'를 만들어냈다. 즉, 은하단을 감싸고 있는 가스가 소리를 전달하는 훌륭한 스피커 역할을 한 셈이다.
* 이 단락에서 나온 '진공의 우주'라는 표현에 대해 더 설명할 게 있다. 맨뒤로 가서 '진공은 절말 아무것도 없는 공간일까?'를 읽어보라. 나는 아무도 말하지 않는 '통찰공(洞察空) '을 말하는데, 이 공이든 저 공이든 통찰공이든 그곳은 정말 아무것도 없는 곳은 아니다. 심이어 불교에서 말하는 진공묘유 (眞空妙有)의 그 진공조차 '절대적으로 아무것도 없는 공간'은 아니다. 그런 빈 공간은 어디에도 없다.
- 인간의 귀로는 도저히 들을 수 없는 '우주 최저음'
이 블랙홀이 내는 소리는 우주에서 발견된 가장 낮은 음 가운데 하나다. 주파수가 피아노의 중심음인 '미들 C(도)'보다 무려 57옥타브나 낮다. 인간이 들을 수 있는 청각 한계를 아득히 벗어난 낮은 주파수이기에, 그대로 두면 지구의 그 어떤 생명체도 들을 수 없다(고 하지만 우주에서 된다, 안된다는 말은 함부로 할 수가 없다)
이를 해결하기 위해 NASA의 과학자들은 일종의 '우주 리믹스' 작업을 진행했다. 관측된 음향 데이터를 원래 주파수보다 무려 140경 배(57~58옥타브)나 끌어올리는 재합성 과정을 거쳤다.
여기에 찬드라 엑스선 우주망원경이 포착한 가스의 밀도 데이터 등 다른 관측 자료를 소리로 치환하는 '음향화(Sonification)' 작업을 더해 34초짜리 오디오로 완성했다.
- 단순한 효과음이 아닌 '우주의 진짜 목소리'
이번에 공개된 소리는 수집한 데이터를 바탕으로 임의로 만들어낸 효과음이 아니다.
블랙홀이 실제로 주변 매질을 흔들며 발생시킨 압력파를 인류의 귀에 맞게 주파수만 번역한 '진짜 우주의 목소리'다.
NASA 측은 "우주에 소리가 없다는 오해는 대부분의 우주 공간이 진공 상태라는 점에서 비롯된 일종의 편견"이라며, "이번 음향화 작업은 인류가 우주의 신비를 시각뿐만 아니라 청각으로도 탐구할 수 있음을 보여주는 놀라운 성과"라고 밝혔다.
* 인류 그 누구도 들어본 적 없는 블랙홀의 목소리. 위에서 나온 '진공의 우주'라는 표현에 대해 더 설명할 게 있다. 맨뒤로 가서 '진공은 절말 아무것도 없는 공간일까?'를 읽어보라. 나는 아무도 말하지 않는 '통찰공(洞察空) '을 말하는데, 이 공이든 저 공이든 통찰공이든 그곳은 정말 아무것도 없는 곳은 아니다. 심이어 불교에서 말하는 진공묘유 (眞空妙有)의 그 진공조차 '절대적으로 아무것도 없는 공간'은 아니다. 그런 빈 공간은 어디에도 없다.
또 다른 질문 > 진공은 정말 아무것도 없는 공간일까
결론부터 말하면, 현대 물리학에서 말하는 진공은 '아무것도 없는 빈 공간'이 아니다. 우리가 흔히 진공이라고 하면 분자나 원자 같은 물질이 전혀 없는 상태를 떠올린다. 물론 일상적인 의미나 고전 물리학에서는 기체 분자를 완전히 걷어낸 상태를 진공이라고 불렀다.
하지만 분자 이전을 들여다 볼 수 있는 양자물리학의 세계로 들어가면, 소립자마자 전부 제거하더라도 그 공간은 결코 비어 있지 않다.
1. 끊임없이 요동치는 양자 요동(Quantum Fluctuation)
양자역학의 '불확정성 원리'에 따르면, 우주의 그 어떤 공간도 에너지가 완전히 '0'인 상태로 존재할 수 없다. 아주 짧은 순간 동안 에너지가 요동을 치며, 이 과정에서 소립자와 반입자가 쌍으로 생겨났다가(쌍생성) 서로 부딪쳐 사라지는(쌍소멸) 현상이 끊임없이 일어난다. 붓다가 말한, 그리고 나가르주나가 말한 공(空) 안에서는 이처럼 무수한 뭔가가 일어난다. 하지만 그건 눈에 보이지도 않고, 귀에 들리지도 않는다. 아무리 확대해도 안보이고, 아무리 증폭해도 들리지 않는다. 그래도 있는 것이 공(空)이다. 내가 말하는 통찰공이란 바로 이 상태를 가리킨다.
즉, 우리가 보기에는 완벽히 비어 있는 진공일지라도, 미시 세계에서는 소립자들이 나타났다 사라지기를 반복하는 아주 시끌벅적하고 역동적인 공간이다. 이를 물리학에서는 '진공 요동' 또는 '양자 요동'이라고 부른다.
2. 공간을 채우고 있는 여러 가지 '장(Field)'
현대 물리학인 '양자장론'에서는 입자보다 '장(Field)'을 더 근본적인 개념으로 본다. 우주 전체에는 전자장, 힉스장, 중력장 같은 눈에 보이지 않는 무수한 장들이 그물망처럼 펼쳐져 있다.
입자가 없다는 것은 이 '장'이 가장 에너지가 낮은 안정된 상태(바닥 상태)로 있다는 뜻일 뿐, 장 자체가 사라진 것은 아니다.
이 낮은 에너지 상태의 장에 에너지가 더해져 튕겨 오르면, 그것이 바로 우리가 관측하는 '소립자'가 된다.
따라서 소립자가 단 하나도 없는 공간이라 할지라도, 물질에 질량을 부여하는 힉스장이나 우주를 지배하는 중력장 같은 에너지의 바다는 그대로 남아 있다.
아무리 비우고 비어 있어도 힉스장에 들어서는 순간, 즉 당신이 인식하는 순간 거기에 질량이 생기고 에너지가 생긴다. 그러면 있는 것이다.
3. 그렇다면 '블랙홀의 소리'와 진공은 무슨 관계일까
양자역학에세 정의하는 진공의 개념과는 달리, 앞서 언급한 "페르세우스 은하단의 블랙홀 소리"는 미시적인 소립자의 진공 요동과는 다른 차원의 이야기다. * '미시적인 소립자의 진공 요동'을 뒤에 더 설명한다.
우주 전체의 평균 밀도를 보면 거의 완벽한 진공에 가깝다. 지구에서 인위적으로 만드는 그 어떤 진공 장치보다도 물질이 없다. 그래서 일반적인 우주 공간에서는 소리가 전달되지 않는다.
하지만 거대한 은하들이 수천 개씩 모여 있는 '은하단'의 중심부는 상황이 다르다.
매질의 존재 : 은하단 중심부에는 눈에 보이지 않지만 엄청난 중력 때문에 빠져나가지 못한 뜨거운 가스(플라즈마)가 아주 넓고 빽빽하게 분포해 있다. 이 가스는 수많은 수소와 헬륨 원자핵, 그리고 전자로 이루어진 '실제 물질'이다.
소리의 전달 : 블랙홀이 요동치며 에너지를 뿜어낼 때, 양자 요동이 아니라 바로 이 실제 존재하는 가스 입자들을 밀고 당기면서 압력파를 만들어낸 것이다.
결과적으로 우주 대부분의 공간은 소리를 전달할 물질이 없는 거시적 진공 상태가 맞지만, 페르세우스 은하단 중심부만큼은 가스라는 매질이 충분히 차 있었기에 소리가 전달될 수 있었다. 그리고 우리가 아무것도 없다고 믿는 그 거시적 진공조차도, 미시 세계로 들어가면 양자 요동과 눈에 보이지 않는 장으로 가득 차 있는 셈이다.
또 또 다른 질문> * '미시적인 소립자의 진공 요동'은 대체 뭐람?
블랙홀 주변의 거대한 가스 구름에도, 그리고 그 가스마저 전부 사라진 완벽한 빈 공간에도 '미시적인 소립자의 진공 요동'은 분명히 존재한다. 오히려 블랙홀 주변은 우주에서 양자 요동이 가장 격렬하게 일어나는 역동적인 곳이다. 거시적인 가스 입자의 움직임과 미시적인 소립자의 진공 요동이 어떻게 공존하는지, 또 어떻게 다른지 살펴본다.
1. 가스 입자 사이의 빈 공간을 채우는 양자 요동
페르세우스 은하단 중심부에 가스가 가득 차 있다고 해도, 이는 기체나 플라즈마 상태이므로 원자핵과 전자 사이, 그리고 입자와 입자 사이에는 엄청난 크기의 빈 공간이 존재한다.
이 물질과 물질 사이의 빈 공간, 즉 거시적으로는 아무것도 없는 '진공'인 자리를 미시적으로 확대해 보면 거기에도 예외 없이 양자 요동이 일어나고 있다. 소리가 전달되는 매질인 가스 입자들은 이 양자 요동이라는 보이지 않는 바다 위에 떠서 출렁이는 것과 같다.
2. 블랙홀이 증명하는 진공 요동 : 호킹 복사(Hawking Radiation)
블랙홀 주변에서 미시적 진공 요동이 존재한다는 가장 강력한 이론적 증거가 바로 스티븐 호킹(0505, Stephen Hawking, 1942.01.08)이 발견한 '호킹 복사'다.
블랙홀의 강력한 중력이 미치는 경계면(사건의 지평선) 바로 바깥에서도 진공 요동에 의해 에너지에서 소립자와 반입자가 쌍으로 생겨나는 현상이 끊임없이 일어난다.
이 현상은 블랙홀 주변 공간이 결코 비어 있지 않으며, 미시적인 진공 요동이 실재한다는 사실을 극적으로 보여주는 예다.
3. 두 현상의 차이점
질문한 두 가지 현상은 일어나는 규모(스케일)와 원인이 완전히 다르다.
결론적으로 블랙홀 주위에는 소리를 전달하는 거대한 가스 흐름도 존재하고, 그 바탕이 되는 시공간의 경계면에서는 소립자들이 태어나고 사라지는 미시적인 진공 요동도 쉼 없이 일어나고 있다.
또 또 또 다른 질문 / 우주 공간으로 도망친 입자가 곧 결코 소멸하지 않는 우리들을 포함한 우주의 모든 정보인가?
질문을 다시 정리하면 이러하다.
쌍소립자(모든 소립자는 쌍으로 돼 있다고 앞에서 설명했다) 중 하나가 블랙홀로 빨려들어가면 나머지는 밖으로 튀어나가는데, 이것이 바로 우주의 정보인가? 인간이 죽은 뒤의 정보도 이런 식으로 사건의 지평선에 보관되는 것인가?
블랙홀 주변에서 미시적 진공 요동이 존재한다는 가장 강력한 이론적 증거가 바로 스티븐 호킹이 발견한 '호킹 복사'다.
블랙홀의 강력한 중력이 미치는 경계면(사건의 지평선) 바로 바깥에서도 진공 요동에 의해 에너지에서 소립자와 반입자가 쌍으로 생겨나는 현상이 끊임없이 일어난다. 원래대로라면 두 입자가 곧바로 합쳐져 사라져야(쌍소멸) 한다. 즉 동시에 생기고 동시에 사라져야 한다.
하지만 블랙홀 경계면에서는 두 입자 중 하나가 쌍소멸하기 전에 블랙홀 안으로 빨려 들어가고, 밖에 남은 나머지 하나는 우주 공간으로 도망치게 된다.
지구에 있는 관측자 시선에서는 블랙홀이 스스로 입자를 방출하며 빛(에너지)을 내는 것처럼 보이는데, 이것이 호킹 복사다.
이번 의문은, 현대 물리학의 가장 뜨거운 주제인 '블랙홀 정보 역설(Information Paradox)'과 시공간의 본질에 닿아 있는 질문이다.
결론부터 말하면, 탈출한 소립자 자체가 곧바로 우주의 정보인 것은 아니다. 하지만 그 과정에서 블랙홀로 빨려 들어간 물질의 정보가 사라지지 않고 사건의 지평선에 흔적으로 남겨진다는 이론이 존재한다. 쌍소립자 중의 하나는 남아 있으니 말이다. 이를 물리학에서는 '홀로그래피 우주론(Holographic Principle)'이라고 부른다.
인간을 포함한 모든 물질이 블랙홀에 들어갈 때 정보가 어떻게 처리되는지, 현대 물리학의 관점에서 나누어 보자.
1. 밖으로 탈출한 소립자는 무엇일까?
호킹 복사 과정에서 블랙홀 안으로 빨려 들어간 입자는 '음(-)의 에너지'를 가지고, 밖으로 탈출한 입자는 '양(+)의 에너지'를 가진다.
2. 블랙홀 정보 역설과 '사건의 지평선'의 비밀
여기서 거대한 모순이 발생한다. 양자물리학의 절대 법칙 중 하나는 "우주의 정보는 절대로 사라지지 않는다(단일성 원리)"는 점이다.
만약 책 한 권을 불에 태우면, 연기와 재, 빛의 분자 운동을 모조리 역추적하여 원래 책의 내용을 완벽하게 복원할 수 있다. 기술적으로 어려울 뿐, 물리학적으로 정보는 보존된다.
하지만 호킹(0505)의 주장대로 블랙홀이 무작위적인 복사 에너지만 내뿜으며 완전히 증발해 사라진다면, 과거에 블랙홀로 들어갔던 모든 물질의 정보(책의 내용, 별의 역사 등)는 우주에서 영원히 소멸하게 된다. 이를 '블랙홀 정보 역설'이라고 한다.
이 문제를 해결하기 위해 끈이론학자인 레너드 서스킨드레너드 서스킨드(0425, Leonard Susskind, 1940.05.20)와 헤라르뒤스 토프트(1030+, Gerard 't Hooft, 1946.07.05) 같은 물리학자들이 새로운 가설을 내놓았다.
"물질이 블랙홀로 떨어질 때, 그 물질을 구성하던 모든 양자 정보는 블랙홀 내부로 사라지는 것이 아니라 '사건의 지평선(표면)'에 2차원적인 픽셀 형태로 낱낱이 기록되어 보관된다"
즉, 3차원의 물질이 블랙홀에 도달하는 순간, 그 정보는 사건의 지평선이라는 2차원 표면에 열역학적 흔적으로 박제된다는 뜻이다. 그리고 블랙홀이 증발할 때, 지평선 표면에 복잡하게 얽혀 있던 정보들이 미세한 형태로 탈출하는 호킹 복사에 섞여서 다시 우주로 방출된다고 본다.
3. 인간이 죽은 뒤의 정보도 보관될까?
이 이론을 인간의 죽음과 연결해 생각해 보면 아주 흥미로운 물리적 상상이 가능하다.
인간이라는 존재 역시 수많은 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 정교한 결합체이며, 그 결합 방식과 배열 상태가 곧 '그 사람의 정보'다.
우리가 영화를 볼 때 2차원 필름에 빛을 쏘아 3차원 홀로그램 입체 영상을 만들어내는 것처럼, 어쩌면 우리가 사는 이 3차원 우주 전체가 우주 저 멀리 있는 어떤 거대한 경계면에 기록된 2차원 정보의 투영일지도 모른다는 것이 현대 이론물리학의 전위적인 가설이다.
결론적으로, 사건의 지평선은 우주에 존재했던 모든 물질의 정보를 지우지 않고 겉면에 기록하여 보관하는 '거대한 우주적 저장소' 역할을 하고 있다는 것이 현대 물리학의 답변이다. 이런 이유로, 불교에서 오랫동안 상상으로만 존재하던 '우주 기억의 저장소'인 아카샤(Akasha, 虛空藏, ⨀)가 바로 블랙홀의 '사건의 지평선'인 것이다.
