호킹의 마지막 이론, 우주는 홀로그램일까? (BBC 사이언스 2026년 5월호)

우주가 홀로그램이라면                                                                                                                        

 

스티븐 호킹 교수의 가장 긴밀한 협업자였던 헤르토흐가 호킹이 시간에 대해 내놓았던 마지막 이론이 맞다는 근거를 설명하며, 이를 통해 우주가 사실은 거대한 홀로그램일 수도 있다고 밝힌다. 

 

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스티븐 호킹 교수의 블랙홀 이론 중에서도 핵심 이론에서는 블랙홀은 커지기만 한다고 명시되어 있다. 

그리고 레이저 간섭계 중력파 관측소 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)의 정확한 관측치 덕에 이 이론이 처음으로 사실로 확인되었다. 

이는 LIGO가 최초로 중력파를 관측한 지 정확히 10년만의 새로운 이정표나 마찬가지다. 

 

무엇보다도 중력파를 자세하게 관측할수록 물리학의 가장 깊은 뿌리까지 도달할 수 있다는 걸 알게 된 게 성과이다. 

어쩌면 미래엔 이를 통해 우주가 홀로그램이란 사실을 알게 될지도 모른다. 

 

스티븐호킹 중력파

시간 없는 시간                                                                                                    

우리의 친숙한 시공간의 기저엔 사실 홀로그램이 깔려 있을지도 모른다는 이론적 발견은 20세기 후반 물리학계의 발견 가운데 가장 중요하면서도 충격적이고 영향이 큰 사실이다. 

물리학자들은 아직 이 홀로그램이 어떤 형태일지 합의에 이르진 못했지만 홀로그램이란 발상 자체가 이미 상상 이상으로 이론물리학을 바꿔놓게 될 것으로 보인다. 

 

수십 년 동안 물리학계는 상대성 이론과 양자 이론을 결합시키기 위해 애를 써왔다. 

그리고 홀로그래피의 발견이 정확히 이에 대한 답이 되었다. 

이에 따르면 중력과 양자 이론은 물과 불 같은 관계가 아니라 음과 양 같은 관계이다. 

서로 완전히 다르고 차원도 다르지만 동일한 물리적 현실에 대한 상호 보완적인 설명이 될 수도 있다는 것이다. 

홀로그래피 덕에 이런 관점의 변화가 생겼다. 

 

어쩌면 확장되는 우주 전체가 홀로그램일지도 모른다. 

이게 호킹이 마지막으로 우주에 대해 내놨던 이론이다. 

우리가 익히 아는 홀로그램은 표면에 투사된 빛으로부터 삼차원의 공간이 나타나는 걸 뜻한다. 

우주-홀로그램 이론에선 이 공간이 홀로그래픽적으로 표현된 시간의 차원이 된다. 

즉 우주의 '진화'가 사실은 홀로그램처럼 투사된 것일 수 있다는 것이다. 

시간을 투사된 홀로그램으로 여기는 그의 마지막 이론은 원반 비슷한 이미지에 표현되어 있다. 

 

시간 ㅡ 투사된 홀로그램

 

 

바깥쪽의 원은 시간이 존재하지 않으며 스핀 상태에 있는 입자들처럼 수없이 많은 얽힌 양자 비트(큐비트-동시에 여러 상태로 존재할 수 있는 양자 정보의 기본 단위)들로 이루어진 홀로그램이다. 

여기서 우주의 확장 및 진화가 생겨나는 것으로 여겨진다. 

원반의 중심은 우주의 기원으로, 이른바 방사형으로 바깥쪽을 향해 확장된다. 

 

마치 얽힌 큐비트들 사이에서 일종의 코드가 작동하고,

이 과정이 우리에게 시간의 흐름으로 받아들여지는 것처럼 보인다. 

이 경우 마치 사진에 줌인하듯 바깥쪽 홀로그램은 더 흐릿하게 보면서 

큐비트가 모두 소진될 때까지 원반 안쪽으로 움직여 시간을 거슬러 이동할 수도 있다. 

소진되는 시점이 우주 홀로그램에서의 시간의 기원이다. 

만약 이게 다 진짜라면 빅뱅 전엔 아무것도 존재하지 않았을 수 있다. 

홀로그래픽적인 과거는 그보다 더 뒤로 갈 순 없기 때문이다. 

 

이 가설들은 증명되기만 한다면 우주의 기원에 대한 이론에 있어 혁명이 될 것이다. 

 

1930년대 초 빅뱅이 발견된 이후로 시간이 어떻게 존재하게 될 수 있는지는 수수께끼로 남아왔다. 

호킹을 포함한 물리학자들은 이 세계의 시작에 대한 기본적이면서도 직관적인 설명을 찾기 위해 부단히 애썻다. 

 

우주-홀로그램 이론은 꽤 다른 관점을 제공한다. 

빅뱅 부근엔 기존의 물리학 법칙이 무너진다. 

홀로그래피에서 빅뱅은 시간의 시작일 뿐 아니라 우리가 흔히 아는 물리학 법칙의 시작이기도 하다. 

 

 

 

 

블랙홀: 궁극의 홀로그램?                                                                                

 

1970년대에 제이콥 베켄슈타인과 스티븐 호킹은 독창적인 사고실험을 통해 블랙홀이 아인슈타인의 상대성 이론이 추정한 것과 달리 텅 빈 끝도 없는 구덩이가 아니란 걸 발견했다. 

이에 따르면 오히려 블랙홀은 역사에 대한 방대한 양의 정보가 수수께끼의 미세 단위 구조로 담겨있는 것으로 보였다. 

호킹은 블랙홀이 사실은 우주 내 가장 효율적인 하드 드라이브일지도 모른다고 얘기했다. 

 

예로 은하수 중심쯤에 있는 거대 블랙홀인 궁수자리는 최소 10^80GB (1뒤에 0이 80개 붙는 어마어마한 GB 규모)의 데이터를 담을 수 있다고 한다.

구글 스토리지에 있는 모든 데이터를 합친 양도 양성자 한개보다도 작은 블랙홀 내에 들어가고도 남는 정도이다. 

 

호킹은 심지어 블랙홀이 담을 수 있는 정보의 양 혹은 엔트로피를 구할 수 있는 정확한 수학적 수식을 고안해 내기도 했다. 

그리고 이 수식은 꽤나 의외다. 

우선 수식에 따르면 블랙홀의 엔트로피는 안쪽 부피가 아니라 사건의 지평선의 표면 영역처럼 커진다고 한다.

이는 꽤 놀라운 이론이다.

우리가 아는 모든 익숙한 시스템(예로 도서관 등)의 정보 용량은 표면이 아니라 안쪽 부피에 따라 결정되니 말이다.

예로 한 도서관이 소장하는 정보의 양을 가늠하기 위해선 보통은 벽에만 있는 정보가 아니라 책꽂이에 있는 모든 책의 권 수를 따져야 하는 식이지만, 

블랙홀은 그렇지 않은 것으로 보인다. 

블랙홀의 양자 정보량을 가늠하기 위해 베켄슈타인과 호킹은 사건의 지평선의 표면 영역을 그리드 비슷한 패턴의 조그만 세포들로 덮는 방식을 제안한다. 

각 세포의 길이는 1퀀텀으로 10^-33cm (소수점 뒤로 32개의 0이 있는 0.000...0001)이다.

이 엔트로피 수식에서 얻을 수 있는 값진 지식은 사건의 지평선에 있는 모든 양자는 각각 1비트의 정보를 담고 있다는 것이다. 이 비트 하나하나는 블랙홀의 진화와 미세 단위 구조에 대한 단순한 예/아니오 질문에의 답을 담고 있으며 이 비트를 모두 모으면 해당 블랙홀에 대한 모든 정보를 얻을 수 있다. 

 

 

이는 마치 인류에게 새로운 감각이 생겨
우주의 소리를 들을 수 있게 된 것과 같다.

블랙홀의 저장 용량은 내부 부피가 아니라 사건의 지평선의 영역에 의해 정해진다는 사실은 현대 물리학에서 홀로그래피에 대해 얻은 첫 희미한 수확이다. 

양자학적 관점에서 보면 블랙홀은 내부가 있다기 보단 마치 홀로그램인 것처럼 보이는 것이다. 

엔트로피는 물리 시스템 내 무질서한 정도를 측정하는 방식이기도 하다. 

엔트로피가 높으면 시스템이 크게 무질서 상태라는 뜻이고, 낮으면 질서 상태라는 뜻이다. 

 

물리 시스템은 엔트로피가 높은 상태로 진화해 가는 경향이 있는데,

이는 단순히 질서 상태보단 무질서 상태에 해당하는 배열이 훨씬 많기 때문이다. 

사무실이나 침실만 생각해도 그렇다.

호킹은 이와 마찬가지로 블랙홀의 엔트로피 수치인 사건의 지평선 영역은 커지기만 한다고 주장했다. 

 

두 블랙홀이 충돌하여 합쳐질 때도 동일하다.

질량이 합쳐지면서 표면 영역이 증가하기 때문이다.

하지만 이 경우 중력파가 분출되는 형태로 일부 에너지가 소실된다.

심지어는 합쳐지는 과정에서 합쳐진 후의 블랙홀의 스핀 상태가 강해지기 때문에 아인슈타인은 표면 영역이 줄어들 것이라고 봤다.

그러나 호킹의 이론에 따르면 이 서로 상충되는 요인이 모두 합쳐지면 모든 경우에서 총 표면 영역이 늘어나 더 큰 블랙홀이 생성된다고 하였다. 

그리고 2025년 중반, 두 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 분출된 유달리 강력한 중력파를 자세히 분석한 결과 호킹의 이론이 처음으로 사실로 판명될 수 있었다. 

 

 

 

 

중력파                                                                                                                     

 

중력파는 우주의 구조에 일어나는 미세한 진동을 뜻한다. 

중력파의 존재는 1916년 알버트 아인슈타인이 최초로 예측했다. 

하지만 아인슈타인은 이 중력파를 측정할 수 있게 될 가능성은 없다 봤고, 중력파 자체도 중요하지 않다 여겼다. 

100년도 넘게 지난 지금, 중력파가 사상 최초로 관측되면서 물리학계와 천문학계에 쓰나미를 일으키고 있다. 

 

왜일까?

이는 중력파의 관측이 갈릴레오 못지않은 혁신이기 때문이다. 

이는 완전히 새로운 천문학의 탄생이 될 수 있다. 

갈릴레오 갈릴레이가 1609년 처음으로 망원경을 통한 관측을 했을 때부터 지금까지 우주에 대해 알려진 모든 지식은 전파나 감마선 등 다양한 주파수의 빛을 관측해 얻은 것이다.

그리고 21세기는 중력과 관측을 통한 완전히 새로운 방식으로도 우주를 배울 수 있는 시대가 된 것이다.

이는 마치 인류에게 새로운 감각이 생겨 단순히 우주를 올려다보고 내다보는 게 아니라 우주의 소리를 들을 수 있게 된 것과 같다. 

 

블랙홀들이 충돌을 한다거나 우주에 격렬한 현상이 있을 때마다 중력파의 분출은 수시로 일어나며 

이는 빅뱅 초기에도 마찬가지였다. 

한번 생겨나면 중력파는 빛의 속도로 쏘아져 나와 행성, 항성 심지어는 암흑물질 군집체까지 모든 물체를 통과해 지나간다. 

중력파가 지구를 통과해 지나갈 땐 마치 우주의 숨결이 지구를 스쳐가는 마냥 그 거리나 길이가 순간 아주 살짝 늘어나거나 줄어든다. 

이 중력파들은 가장 강력하고도 신비로운 우주 현상 중 일부의 희미한 메아리 같은 존재다. 

 

무엇보다도 아인슈타인의 상대성 이론을 이용해 관측된 중력파 패턴을 연역적으로 추론하면 지구를 통과해 지나가는 중력파들의 기원을 알아낼 수 있다. 

 

 

신선한 근거
블랙홀 폭발을 통해 모든 걸 설명할 수 있다

항성이 죽으면서 태어난 블랙홀로부터 온 복사는 차갑고 감지도 어렵지만, 호킹은 더 작은 크기의 블랙홀들은 빅뱅 직후에 형성되었을 것이라 추측하기도 했다.
이런 원시 블랙홀은, 만약 존재한다면 온도도 훨씬 더 뜨겁고 심지어는 폭발할 가능성도 있다.
실제로 2026년 2월 미국 메사추세츠대학교 암허스트의 연구진은 2023년 KM3NeT 공동프로젝트에서 관측된 유달리 높은 에너지를 지닌 중성자 입자가 원시 블랙홀이 폭발하면서 생긴 잔여물일 수도 있다는 이론을 제기하기도 했다. 
만약 이 설이 사실로 확인된다면 미래엔 중성자를 관측해 자연의 가장 신비로운 물체들의 양자역학을 더 잘 이해하게 될 수 있을지도 모른다. 

 

 

작년 유달리 강하게 감지된 GW250114(숫자는 중력파가 지구에 도달한 날짜를 뜻한다)를 역추적한 결과, 약 13억 광년 떨어져 있으며 태양의 30~40배 정도의 질량을 가진 두 개의 블랙홀이 충돌하여 하나의 블랙홀로 합쳐지는 과정에서 분출된 것으로 드러났다.

 

이는 LIGO가 맨 처음 관측한 GW250114와 비슷한 출처다. 

하지만 10년 동안 장비 소음을 더 줄이는 기술적 발전이 이루어진 덕에 GW250114의 신호는 GW150914보다 훨씬 크게 감지되었다. 

이 덕에 중력파 연구자들은 새로 생긴 블랙홀의 사건의 지평선 표면 영역이 합쳐지기 전 블랙홀 두 개의 표면 영역을 합친 것보다도 크다는 사실을 알 수 있었다. 

 

기존의 블랙홀 두개 표면 영역을 합친 크기는 250,000km로 각 블랙홀은 태양의 30배 되는 질량을 가졌으나 태원형으로 압축되어 대략 영국과 비슷한 크기를 갖고 있었다. 

그리고 합쳐진 크기는 400,000km로 앞선 수치보다 굉장히 커 호킹의 이론을 증명하는 듯 보인다. 

 

 

 

즉 중력파를 더 자세히 관측할 수 있다면
물리학의 가장 깊은 뿌리까지
살피게 될 수 있다는 뜻이다.

이런 류의 분석에 있어 가장 어려운 부분은 새로 생성된 블랙홀의 표면 영역을 측정하는 일이다.

합쳐지기 전 블랙홀 두 개의 크기는 서로 궤도를 도는 동안 생성된 중력파 패턴을 통해 상대적으로 쉽게 역산해낼 수 있다. 

하지만 둘이 합쳐질 땐 마치 종소리처럼 신호가 빠르게 잦아든다. 

 

그런데 종과 마찬가지로 블랙홀의 울림(진동할 때의 특정적 주파수)은 사이즈에 따라 다르게 나타나며 아인슈타인의 상대성 이론을 이용해 아주 정확하게 계산해내는 일도 가능하다. 

GW25011의 신호는 매우 커 연구진들이 그 울림을 정확히 측정하고, 아인슈타인의 이론으로 새로 생성된 블랙홀의 질량 및 스핀 상태를 계산한 뒤 표면 영역을 측정하여 호킹의 이론까지 검토할 수 있었다. 

 

즉, 중력파를 더 자세히 관측할 수 있다면 물리학의 가장 깊은 뿌리까지 살피게 될 수 있다는 뜻이다. 

하지만 기초 연구가 그렇듯, 현재는 이 새로운 발견은 무언가에 대한 답이 되기보다는 더 많은 의문을 불러오고 있다. 

가장 크게 관측되었던 중력파 신호조차 블랙홀들이 기가바이트 단위의 정보를 담는 신비한 미세 단위 구조에 대해선 아무 것도 알려주지 않으니 말이다. 

이런 이중성은 아인슈타인의 상대성 이론과 양자역학 간의 관계에서 비롯되는 것으로 보인다. 

블랙홀의 큐빗이란 무엇일까? 호킹의 수식대로 사건의 지평선 표면에 붙어 내부에 있는 것을 홀로그램처럼 투사하는 걸까?

무엇보다도 블랙홀이 노화하면 거기 담겨있던 어마어마한 양의 정보는 어떻게 되는 걸까?

 

블랙홀 복사                                                                                                                        

보통 엔트로피는 온도와도 연결되어 있으며, 블랙홀에서도 마찬가지다. 

실제로 웨스트민스터 애비에 있는 호킹의 묘비석엔 마치 영생으로 이끄는 마법이라도 되는 마냥 블랙홀의 온도를 측정하는 호킹의 수칙이 적혀 있다.

 

호킹의 수식에 있는 글자 T는 블랙홀의 온도를 뜻하며 M은 질량이다.

남은 글자들은 다 자연의 기본 상수다.

c는 빛의 속도, G는 뉴턴의 중력상수, h는 플랑크의 양자상수.

k는 볼츠만 상수로, 에너지와 온도를 연결하는 상수다.

 

호킹의 수식의 매력은 이 모든 상수를 하나의 수식에 모았다는 점이다. 

아인슈타인이나 슈뢰딩거 수식 등 20세기 물리학을 꽃피운 다른 수식들과 달리 호킹의 수식은 물리학 영역을 구분하지 않고 다양한 영역을 한 곳에 집합시켰다.

 

호킹은 양자역학과 상대성 이론의 법칙을 합쳐 수학적 모험을 감행했지만, 그를 통해 상대적 지식도 양자역학도 하나만으론 절대 얻을 수 없는 지식을 얻을 수 있었다. 

블랙홀들이 아주 적은 양의 열복사를 배출한다는 사실이다.

 

차갑고 매우 미약해 거의 감지하기 어렵지만 블랙홀이 증발했을 때 그 안에 있었던 정보는 어떻게 되는 걸까?

 

이 의문은 20세기 후반 이론물리학에 있어 가장 혼란스러운 수수께끼가 되면서 무려 두 세대의 물리학자들이 이를 알아내려 애써야 했다. 

여러 방면에서 블랙홀 정보의 행방에 대한 수수께끼는 19세기 뉴턴의 이론과 상충되어 의문을 불러왔던 수성의 궤도 내 왜곡을 연상시킨다.

 

처음엔 호킹 복사엔 어떤 기능도 없는 것으로 보였기에 블랙홀이 사라질 때 블랙홀 내의 정보도 영원히 사라지는 것으로 여겨졌다.

블랙홀은 마치 궁극의 지우개인 양 보였는데 양자이론에 따르면 이는 불가능하다.

"지금 물리학은 심각한 위기에 처했습니다. 양자 이론은 수정이 필요해요."

당시 호킹의 선언이다.

하지만 21세기에 접어들면서 홀로그래피가 나타났다.

물리학계는 드디어 블랙홀들의 홀로그래픽적 특성을 조금 더 가늠할 수 있게 되었다. 

비록 완벽한 수학적 환경에서만 구현이 가능했지만 말이다. 

더불어 훨씬 더 많은 발상과 사고 실험을 통해 호킹 복사에 생각보다 많은 역할이 있단 것도 알게 되었다.

 

호킹 복사는 방사능 입자들의 미묘하게 얽히고설킨 상관관계로 이루어진 복잡한 연결망 형태로 엄청난 양의 정보를 담고 있다. 

 

물리학은 오늘도 살아남았다.

적어도 지금까진 그렇다. 

 

 

 

 

 

 

 

- BBC SCIENCE 5월호 발췌