신체의 벽을 넘은 수학자이자 물리학자, 스티븐 호킹

스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942년 ~ 2018년)은 아인슈타인과 함께 20세기를 대표하는 수학자이자 물리학자입니다. 신체의 벽을 넘어 무한 공간인 우주로 향한 스티븐 호킹에 대하여 알아보겠습니다. 

 

청춘에 찾아온 위기

스티븐 호킹은 1942년 영국 옥스퍼드에서 열대병을 전공한 연구원 아버지와 물리학자의 딸인 어머니 사이에서 4남매 중 장남으로 태어났습니다. 그의 아버지는 가족들과 돌아다니며 보고 들은 내용을 아이들과 함께 공책에 정리하고 책을 읽고 토론하기를 좋아했습니다. 이렇게 지적 호기심을 자극하는 환경에서 자란 스티븐 호킹은 상상력이 풍부하고 책을 좋아했습니다. 학창 시절의 스티븐 호킹은 수학에 관한 통찰력과 선천적인 능력을 입증했습니다. 1958년에 친구, 선생님과 함께 논리 유니세터 계산 기계라 불리는 초기 컴퓨터를 고안하고 만드는 것을 돕는 등  과학 분야에도 두각을 나타냈습니다. 

 

호킹은 1959년 17세에 옥스퍼드 대학에 물리학과 수학과의 특별 자연과학 학생으로 입학했습니다. 첫해에는 수학 강의와 개별 지도에만 참석하고 시험도 수학과목만 보았습니다. 2학년 때에는 물리학 분야의 우수성으로 블랙윌서적상을 받았습니다. 다른 학생에 비해 어리고 왜소했고 내성적이었던 호킹은 대학 첫 1년 반 동안 대부분의 시간을 혼자 지냈습니다. 그렇지만 2학년 중반 이후 다른 학생들과 어울리기를 노력한 끝에 옥스퍼드 조정 팀의 키잡이로 들어가 대학 대항 조정 시합에도 참가하는 등 즐거운 대학 생활을 보냈습니다. 옥스퍼드 대학 졸업 후 케임브리지 대학에서 응용수학과 이론 물리학과에서 대학원생으로 4년을 보냅니다.

 

1963 1월, 호킹은 말하는 것과 걷는 것이 갑자기 힘들다고 느껴져 2주 동안 건강 진단을 받습니다.  그는 근위축성측색경화증 또는 루게릭병이라 불리는 희귀병을 진단받았습니다. 의사들은 그가 2년 정도의 삶이 남았다고 판단했습니다. 스티븐 호킹은 실의나 좌절하지 않고 오히려 삶에 더 적극적으로 임했습니다. 그는 당시 처형당하는 꿈을 꾸게 됩니다. 꿈에서 깬 호킹은 내 사형 집행이 연기된다면 내가 할 일이 너무 많으리라는 것을 인식하게 되었다며 과거의 삶보다 병을 진단받은 지금의 나의 삶을 더 즐기게 됐다고 말했습니다. 다행히 그의 증세는 의사들의 예상보다 천천히 진행되어 본격적으로 상대론과 우주론에 대한 연구를 시작합니다. 

 

 

블랙홀과 호킹 복사

호킹은 우주론자로서 활동적인 연구자가 되었습니다. 1965년 런던 왕립학회모임에서 정상 우주론에 관한 발표에 도전하는데 제시된 내용 중 한 방정식의 수학적 양이 유한개의 총합까지 더해지는 것이 아니라 발산한다는 것을 밝혀냈습니다. 이로 인해 사람들은 그를 장래성 있는 젊은 연구자로 평했습니다. 

 

런던 버크벡 대학의 응용수학교수인 로저 펜로즈는 시공간 곡률이 무한인 블랙홀 중심의 시공간 특이성을 설명하는 수학적 이론을 발달시켰습니다. 호킹은 우주에 대한 펜로즈의 특이성 이론 아이디어를 완전한 이론으로 적용하였습니다. 호킹은 로저 펜로즈와 공동 연구를 합니다. 그들은 현재 포괄적인 방법으로 알려진 일반 상대성을 계산하는데 필요한 위상·기하적 기술을 광범위하게 개발했습니다. 그들은 일반 상대성이론이 우주에 대해 정확히 묘사했다면 시간의 기원에서 특이성이 있어야만 한다고 입증했습니다. 호킹-펜로즈 정리는 우주가 블랙홀 폭발로 시작한다는 빅뱅이론을 수학적으로 증명했습니다. 이는 정상우주론과 빅뱅이론의 논쟁의 종결이었습니다. 

 

호킹은 블랙홀에 대한 초기 주장을 다시 검토해 보면서 기존 연구에 양자이론, 일반 상대성, 열역학의 원리를 적용했습니다. 호킹은 모든 세 개의 기술을 조합하면서 블랙홀이 '호킹 복사'로 불리는 복사에너지 유형을 방사한다는 결과를 증명하는 데 성공합니다. 이 발견은 블랙홀의 사건의 지평선의 표면 면적이 결코 감소할 수 없다는 그의 초기 주장을 부정하고 달아나는 질량과 에너지가 결국 블랙홀을 움츠러들게 하고 사라지게 한다는 것을 의미합니다. 1974년 호킹 복사와 빅뱅이론에 대한 그의 초기 연구를 인정받아 영국 왕립협회는 32살의 호킹을 특별회원으로 선출합니다. 호킹은 최연소 회원이 됩니다. 

[좌]블랙홀과  [우]호킹 복사(출처 - Shutterstock) 

호킹 복사에서는 블랙홀에 들어간 정보는 다시 방출되지 않고 블랙홀이 소멸되면 정보도 함께 사라진다는 것은 정보와 에너지는 보존된다는 물리학의 법칙에 맞지 않았습니다. 이에 2004년 호킹은 블랙홀에 들어간 정보도 방출될 수 있다고 정정하였고 정보들은 사건의 지평선에서 홀로그램 상태로 변형되거나 다시 우주로 나오게 된다고 주장하였습니다. 

 

 

대중과 만나다

1980년대 중반부터 호킹은 전문가가 아니더라도 쉽게 수학, 과학에 접근할 수 있는 교양 도서를 쓰는데 많은 시간을 투자했습니다. 일반 독자들이 이해할 수 있게 빅뱅이론, 블랙홀, 호킹 복사 같은 현대 우주론의 개념을 설명하는 프로젝트를 진행했습니다. 약 5년간의 작업의 결과로 『시간의 역사 : 빅뱅부터 블랙홀까지』를 내놓았습니다. 이 책은 호킹의 가장 대표적인 책이 되었으며 천만 권이 팔리고 40개의 언어로 번역 출간되었습니다. 그 외에도 『블랙홀과 아기 우주』,  『호두 껍질 속의 우주』,   『거인들의 어깨 위에 서서 : 물리학과 천문학의 위대한 연구』,  『신은 정수를 창조했다 : 역사를 변화시킨 수학적 새 발견』 등이 있습니다.  

 

1985년 호킹은 폐렴에 걸려 죽음의 문턱까지 갔었지만 다행히 살아났습니다. 그러나 기관지 절개 수술로 인해 말을 할 수 없게 되었습니다.  그는 가슴에 꽂은 파이프를 통해 호흡을 하고 휠체어에 음성 합성 장치를 통해 의사소통을 하게 되었습니다. 불리한 신체 조건 하에서도 호킹은 연구를 멈추지 않았고 강의도 하였습니다. 그는 케임브리지 대학에 장애인 학생을 위한 기숙사를 건설하도록 만들었고 브리스틀 대학이 호킹 하우스라고 이름 지은 장애인 학생용 기숙사를 만들도록 설득했습니다.   

 

 

스티븐 호킹의 영향과 의의

루게릭병이라는 죽음의 장애를 극복하며 스티븐 호킹은 수학적 증명을 이용하여 블랙홀이 복사에너지를 방사하고 호킹 복사가 최후의 붕괴를 야기할 수 있다는 논의들을 제시했고 이것은 20세기 우주론에 중요한 공헌을 했습니다. 호킹은 빅뱅이론의 타당성을 입증할 수 있게 한 위상적 기하적 도구의 발달에 기여했습니다. 케임브리지 대학의 수학 루카시안 석좌교수로서 그는 무경계 제안, 정보 역설, 웅장한 통합이론을 제시하며 물리학에서 여러 발달 개념의 기초를 이루는 수학적 원리를 동료들과 함께 조사했습니다. 또한 그의 유명한 대중 과학책들은 일반인들이 우주론에 대한 진보된 과학 아이디어를 쉽게 이해할 수 있도록 도와주었습니다.