우주의 시작에서 양자중력까지: 이론물리학자 노무라 야스노리가 말하는 우주론의 최전선

일관된 것은 확립된 지식과 아직 진행 중인 이론을 구별하는 태도다. 노무라는 멀티버스를 '상당히 유력'하다고 보면서도, 뜨거운 빅뱅만큼 확실하지는 않다고 인정한다. 양자중력에 대해서도 홀로그래피라는 열쇠로 보이는 것은 보이지만 '아직 진행 중'이라고 말한다. 이 글에서는 프로그램 내레이션의 해설과 노무라 자신의 발언을 구별하면서 논의의 흐름을 따라간다.

노무라는 먼저 우주가 탄생했다는 사실 자체가 20세기 초의 대발견이었다고 되돌아본다. 이론과 관측이 맞물려 우주의 진리를 밝혀낸 좋은 예라는 것이다.

아인슈타인은 중력 이론인 일반상대성이론을 만들었다. 이 방정식은 우주 전체에 적용해 풀 수 있는 형태였는데, 풀어 보니 멈춰 있는 정적인 우주는 답에 포함되어 있지 않았다. 우주 공간 전체는 팽창하거나 수축하는 수밖에 없다. 아인슈타인 자신은 이를 믿지 못해 방정식 쪽을 바꾸려 한 적도 있었다. 그런데 관측을 통해 모든 은하가 우리에게서 멀어지고 있다는 사실이 밝혀지고 만다.

시간을 거슬러 올라가면, 옛날의 우주는 밀도가 매우 높았고 따라서 온도도 높았다는 뜻이 된다. 방정식은 이미 있으므로, 어디까지 거슬러 올라가면 온도가 극단적으로 커지는지 계산할 수 있다. 그 결과 약 138억 년 전에 우주는 매우 뜨거운 상태에 있었고, 거기서부터 식어 왔다는 것이 밝혀졌다. 우주는 무한한 과거부터 존재했던 것이 아니라 약 138억 년 전에 시작되었다는 것이다.

내레이션은 바로 이 고온·고밀도 상태가 빅뱅이라 불려 온 것이라고 보충한다. 인류는 우주 탄생 약 38만 년 후의 빛을 전파로 관측하고 있으며, 이것이 우주 마이크로파 배경 복사다. 그보다 이전의 우주는 밀도가 너무 높아 빛이 곧게 나아갈 수 없기 때문에, 빛으로 직접 볼 수 있는 우주에는 한계가 있다.

예전에는 고온·고밀도의 빅뱅이야말로 우주의 시작이라고 여겨졌다. 하지만 노무라에 따르면, 최근 연구에서는 그 이전에 온도가 거의 0인 차가운 시기가 있었다고 본다. 그 기간은 1초의 소수점 아래에 0이 20~30개 늘어설 만큼 짧다. 그 극히 짧은 사이에 우주는 맹렬하게 팽창해, 예컨대 원자핵만 한 크기가 지금 보이는 약 138억 광년의 우주 전체만 한 크기로까지 커졌다. 이 급팽창을 인플레이션이라고 부른다.

내레이션의 설명에 따르면, 인플레이션이 끝나자 급팽창을 일으키던 에너지가 열로 바뀌고, 소립자가 생겨나 우주는 단숨에 뜨거워졌다.

여기서 노무라는 책에 따라 '빅뱅은 인플레이션 이후'라고도, '이전'이라고도 쓰여 있는 이유를 설명한다. 이는 학설이 다른 것이 아니다. 빅뱅이라는 말을 '인플레이션 후에 우주가 뜨거워진 상태'라는 의미로 쓰면 빅뱅은 인플레이션 이후가 된다. '우주의 진짜 시작'이라는 의미로 쓰면 인플레이션은 빅뱅 이후에 일어난 일이 된다. 빅뱅이라는 말이 오해를 낳기 쉬운 이중적 의미를 갖게 되었다는 것이다.

그렇다면 거의 균일했던 우주에서 어떻게 은하와 별이 생겨났을까. 노무라는 먼저 지금의 우주와 초기 우주의 차이를 강조한다. 지금의 우주에서는 은하가 있는 곳에 물질이 집중되어 있고, 없는 곳에는 거의 아무것도 없다. 별은 밀도가 매우 높고, 별과 별 사이는 거의 텅 비어 있다. 그런데 38만 살 무렵의 우주에는 그런 구조가 없었고, '밋밋한' 수프처럼 어디나 거의 같은 밀도였다. 겨우 10만분의 1만큼 진한 곳과 옅은 곳이 있었을 뿐이다.

노무라는 이 균일함이 얼마나 극단적인지를 촬영 중인 방의 공기로 설명한다. 방의 공기조차 위쪽은 조금 따뜻하고 아래쪽은 조금 차갑기 때문에 밀도가 균일하지 않다. 금세 0.1% 정도는 차이가 나 버린다. 그에 비해 초기 우주는 엄청난 정밀도로 균일했다.

그래도 밀도가 조금 높은 곳은 주변보다 중력이 약간 강하다. 그래서 물질을 점점 끌어당기고, 옅은 곳에서는 물질이 빨려 나간다. 이렇게 작은 차이가 자라났다.

문제는 그 10만분의 1의 요동이 어디서 왔느냐다. 노무라에 따르면, 인플레이션 이론이 옳다면 공간이 맹렬하게 팽창할 때 양자역학에 의해 생기는 요동이 씨앗이 된다. 노무라 등은 이 이론이 아마 옳을 것이라고 본다. 그 요동과 38만 년 후의 우주에서 실제로 보이는 요동의 패턴은 통계적 성질이 "완전히 일치한다"고 노무라는 말한다. 은하의 씨앗이 된 요동은 인플레이션 시기에 양자역학의 효과로 만들어졌다. 그것이 은하가 되고, 별이 되고, 아마도 생명으로 이어졌다는 스토리라는 것이다.

내레이션은 현재 우주의 구조를 만든 것이 눈에 보이는 물질만은 아니라고 이어 간다. 우주에 질량이 얼마나 있는지는 은하나 은하단의 움직임으로 알 수 있다. 중력은 주변 천체의 운동에 영향을 주기 때문에, 빛으로 보이지 않아도 질량의 존재는 알 수 있는 것이다. 그런데 별이나 가스 같은 기존의 물질만으로는 은하의 움직임도, 우주의 거대 구조도 설명할 수 없다. 초기의 요동에서 지금의 은하와 은하단이 생기기까지를 시뮬레이션해도, 보통의 물질만으로는 현재의 우주와 일치하지 않는다. 암흑물질을 더해야 비로소 지금의 구조를 잘 재현할 수 있다.

노무라는 암흑물질의 증거가 "산더미처럼" 있다고 말한다. 존재 자체를 의심하는 물리학자나 천문학자는 거의 없지만, 세세한 정체는 모른다. 물질 가운데 약 6분의 5가 미지의 암흑물질이고, 6분의 1이 소립자 표준모형에 포함되는 보통의 물질이라는 것은 거의 밝혀져 있다고 한다.

지금까지의 이야기는 모두 '물질'에 관한 것이었다. 노무라에 따르면, 물질이 아닌데도 우주 전체에 가득 차 있는 에너지가 있으며, 그것이 우주 전체 에너지의 약 7할을 차지한다. 암흑물질도 전자도 중성미자도 포함해, 물질은 모두 합쳐도 3할 정도의 에너지 밀도밖에 되지 않는다. 이 사실은 20세기 말, 1998년경에 거의 확립되었다. 에너지이긴 하지만 물질조차 아닌, 잘 모르는 것이라는 의미에서 암흑에너지라고 불린다.

내레이션은 발견의 실마리가 우주 팽창이었다고 설명한다. 우주에 있는 것이 물질뿐이라면, 서로 끌어당기는 중력이 브레이크가 되어 팽창은 조금씩 느려졌어야 했다. 그런데 관측해 보니 팽창은 감속하기는커녕 가속하고 있었다.

노무라는 후보 중 하나로 진공 에너지를 들며, '공간의 에너지'라고 하는 편이 이해하기 쉽다고 말한다. 연필도, 안경도, 자기 자신도, 모든 물질을 치워도 공간은 남는다. 그 공간 자체가 에너지를 가질 수 있다는 것이다. 이 에너지는 양수도 음수도 될 수 있다. 어느 쪽을 양이라 부를지는 인간의 약속에 불과하지만, 지금의 약속으로 말하는 양의 경우에는 척력처럼 작용해 공간을 넓히고, 음의 경우에는 수축시킨다. 그런 것이 존재할 수 있다는 것은 알려져 있으며, 아마 그것이 발견된 것이리라고 노무라는 말한다.

프로그램은 이어서, 애초에 왜 이 우주에는 은하와 별과 생명이 존재할 수 있는가라는 질문으로 나아간다. 노무라는 우주가 여러 개 있다는 멀티버스 이론을 "상당히 유력"하다고 본다. 그렇게 생각하지 않으면 이해할 수 없는 현상이 꽤 있기 때문이다. 간단히 말하면 그것은 '우주가 너무 잘 만들어져 있다'는 것이라고 한다.

우리 우주에는 정해진 규칙이 있다. 전자가 있고, 그 질량은 특정한 값을 갖는다. 지구에서도 안드로메다에서도 같은 식을 쓸 수 있으므로, 직접 가지 않아도 도달한 빛을 분석하면 무슨 일이 일어나고 있는지 알 수 있다. 그런데 그 규칙 자체가 "엄청나게 잘 만들어져 있다". 전자의 질량이 그 값이어야 하는 이유는 이론상 어디에도 없다. 실험으로 측정한 값을 쓰면 계산할 수 있다는 이론에 불과한 것이다. 전자가 존재한다는 것 자체도 이론적으로는 필연이 아니다. 전자가 있고, 원자핵이 있고, 그것이 양성자와 중성자로 이루어지고, 다시 쿼크로 이루어져 있다. 이 구조를 조금만 바꿔도 별이나 숲이나 호수나 인간은커녕 은하조차 없는, 아무것도 없는 우주가 되어 버린다. "신을 끌어들이지 않고는 이해할 수 없겠다"고 할 만큼 잘 만들어져 있다고 노무라는 말한다.

하지만 우주가 여러 종류 있다면 이는 신기한 일이 아니게 된다. 신을 끌어들이지 않고 과학으로 이해할 수 있게 되는 것이다. 노무라는 이를 지구에 비유한다. 지구는 태양으로부터의 거리가 절묘해서, 조금만 어긋나도 액체 상태의 물은 증발하거나, 멀다면 액체 메탄의 세계가 될 것이다. 언뜻 보면 기적적이다. 하지만 실제로는 행성의 대부분이 작열하거나 극한의 추위다. 우리은하 안에만도 항성으로부터 다양한 거리에 있는 행성이 무수히 있고, 다른 은하까지 포함하면 몇조 개나 된다. 그만큼 있으면 우연히 조건이 좋은 곳도 생긴다. 고등 생명은 그런 곳에서만 태어나므로, 거기서 주위를 둘러보면 기적적으로 보인다. 노무라는 우주 전체도 이와 마찬가지로 생각할 수밖에 없는 구조로 되어 있다고 본다. 관측으로 다양한 양을 측정할수록 이유를 알 수 없고, 게다가 지나치게 형편이 좋은 값이 잇달아 발견되고 있기 때문이다.

노무라는 이론적 뒷받침도 언급한다. 멀티버스와는 전혀 다른 동기로 1980년대에 만들어져 있던 초끈이론 등을 다시 살펴보니, 많은 종류의 우주가 존재한다는 것이 자동으로 포함되어 있었다. 나중에 밝혀진 이 사실을 노무라는 "매우 시사적"이라고 평가한다.

나아가 노무라는 역사상 같은 일이 여러 번 일어났다고 말한다. 코페르니쿠스, 케플러, 뉴턴의 시대에는 태양계가 거의 우주의 전부라고 여겨졌고, 다른 별들은 벽지처럼 간주되었다. 그런데 태양계는 은하 안에 많이 있는 계 가운데 하나에 불과했다. 20세기 초에는 그 은하가 아직 '우주'라고 불리고 있었다. 인간은 그때마다 자신이 도달한 곳이 전부라고 생각해 왔다. 그 반복이므로 멀티버스는 부자연스럽지 않으며, 이론으로 보나 관측으로 보나 "어느 방향에서 생각해도 그쪽이 자연스러울 것"이라고 노무라는 말한다.

다만 노무라는 단서도 단다. 과학인 이상, 결국에는 증거가 얼마나 쌓이느냐가 문제가 된다. 멀티버스는 우주가 한때 뜨거웠다는 빅뱅 이론만큼 확실하지는 않다.

노무라는 연구의 길로 들어선 계기도 이야기했다. 고등학교 3학년 때 물리 선생님이 재미있는 분이어서, 입시에는 나오지 않는 상대성이론과 양자역학 집중 강의를 여름에 열어 주었다. 거기서 '이런 세계가 있구나' 하고 느꼈다고 한다. 다만 돌이켜 보면 중학생 무렵부터 이미 과학 교양서 시리즈인 블루백스를 읽은 기억이 있어, 관심은 그보다 더 일찍 싹텄던 것 같다. 물리학자가 될지는 별개로 하고 이 분야를 공부하고 싶다고 생각해 도쿄대학 물리학과에 진학했다.

대학원 시절에는 연구자로서의 기준을 바꾼 만남이 있었다. 미국에서 온 박사후 연구원이 구마모토의 연구회에 가는 길에 도쿄에 하루이틀 머물게 되었다. 누가 안내 좀 해 주라는 말에도 학생 중 아무도 손을 들지 않아서, 노무라가 데리고 다니게 되었다. 도쿄타워에도 올랐지만, 상대는 경치를 보며 이따금 반응하면서도 줄곧 물리 이야기를 했다. 그 지식의 양도 깊이도 전혀 달라서, "샤워"처럼 말이 쏟아졌다고 한다. 노무라가 화제를 꺼내면 상대는 답을 돌려줄 뿐 아니라, 그것이 다른 문제와 연결되어 있다는 것, 어떤 특수한 경우에 불과하다는 것까지 잇달아 지적했다. 이쪽이 가볍게 던진 화제가 "100배쯤 되어" 되받아쳐지는 느낌이었다고 노무라는 회상한다.

대학 시절에는 조금 "건들건들"했지만, 대학원에서는 집중해서 임하고 있다고 생각했다. 그래도 이런 사람들뿐인 세계에 던져지면 살아남을 수 없다는 위기감을 느껴 더욱 맹렬히 공부했다고 한다. 그 인물은 서른 살 전후에 하버드의 부교수가 될 정도의 특수한 예였다. 하지만 노무라는 그 표본밖에 몰랐기 때문에 모두가 그 수준이라고 믿어 버렸다. 실제로 해외에 나가 보니 그런 "괴물 같은" 사람은 거의 없었다. 그래도 이 착각이 결과적으로 커리어에 큰 플러스가 되었다고 노무라는 말한다.

우주를 조사하려면 물리 법칙이 꼭 필요하다. 노무라에 따르면, 20세기에 뉴턴 역학이 불완전하다는 것이 밝혀져 두 방향으로 확장되었다. 그랬기에 우주 전체를 다루는 우주론이 가능해졌다. 그 하나가 상대성이론이다.

발단은 빛의 속도였다. 맥스웰 방정식을 쓰면 전자기파의 속도를 계산할 수 있게 된다. 대략 1초에 지구를 7바퀴 반, 초속 3억 미터다. 노무라는 이것이 뉴턴 역학에서는 "일어나서는 안 되는 일"이었다고 설명한다.

자동차가 시속 50킬로미터로 달린다고 해도, 지구는 자전하고 있고 그보다 빠르다. 공전은 더 빠르고, 태양계 자체도 은하 중심 주위를 돌고 있다. 그렇다면 '진짜 속도'는 무엇일까. 뉴턴 역학의 토대인 갈릴레이의 상대성 원리에서는 진짜 속도라는 개념이 없으며, 무엇에 대한 속도인지만 의미가 있다. 시속 50킬로미터란 지표에 대해 1시간에 50킬로미터 움직인다는 뜻이다. 그런데 전자기파의 속도는 누가 보았는가 하는 정보를 넣지 않고도 방정식에서 값이 나와 버린다. 아인슈타인은 방정식이 빛의 속도는 이것이라고 말하고 있으니, 누가 보아도 그 속도인 것이라고 생각했다.

내레이션은 이렇게 보충한다. 광속이 누가 보아도 같으려면 시간이 절대적이지 않아야 하며, 빠르게 움직이는 것일수록 시간이 느리게 흐른다. 이것이 1905년의 특수상대성이론이다. 노무라에 따르면, 전철을 타고 있기만 해도 시간의 흐름은 늦어져 있다. 다만 광속에 비해 너무 느려서 의식하지 못할 뿐이며, 그 작은 효과를 무시하면 뉴턴 역학과 일치한다. 특수상대성이론은 뉴턴 역학을 포함하는 이론인 것이다.

다만 특수상대성이론은 등속으로 움직이는 경우에만 쓸 수 있었다. 다음으로 아인슈타인은 가속하고 있는 것과 중력이 있는 것이 같다는 것을 깨닫는다. 자동차가 가속하면 몸이 쑥 눌리는 것은 중력이 옆 방향으로 작용하는 것과 같다. 보통 사람은 비슷하다고 생각할 뿐이지만, "그런 수준의 천재"는 같은 것이 아닐까 하고 생각한다고 노무라는 말한다. 무중력 공간에 떠 있는 상자를 우주선이 로프로 끌어당겨 가속시키면, 안에 있는 사과도 사람도 한쪽 벽으로 밀린다. 안에서 보면 이는 중력이 있는 상태와 구별되지 않는다.

이렇게 만들어진 것이 일반상대성이론이다. 이는 가속이 없는 경우도 다룰 수 있으므로 특수상대성이론을 완전히 포함한다. 그래도 특수상대성이론이 계속 쓰이는 것은 일반상대성이론의 수학이 "투박하고 무겁기" 때문이다. 중력이나 가속이 관계없다면 굳이 꺼낼 필요가 없다. 내레이션은 일반상대성이론에 의해 중력이 시공간의 휘어짐으로 이해되고, 우주 팽창과 블랙홀을 물리 법칙으로 다룰 수 있게 되었다고 정리한다.

뉴턴 역학의 또 다른 불완전함은 미시 세계에서 나타났다. 내레이션의 설명에 따르면, 뉴턴 역학과 전자기학만으로 생각하면 원자핵 주위의 전자는 에너지를 잃고 중심으로 떨어져 원자는 순식간에 무너져야 했다. 현실에서 원자가 안정적이라는 것을 설명하려면 새로운 규칙이 필요했다. 상태가 띄엄띄엄한 값을 갖는다는 것, 여러 가능성이 겹치고 서로 간섭한다는 것. 이것이 양자역학이다.

문제는 두 이론의 관계다. 노무라는 일반적으로 쓰이는 양자역학에는 중력이 들어 있지 않고, 일반상대성이론에는 양자 효과가 들어 있지 않다고 지적한다. 두 이론은 별개의 이론이다. 하지만 현실 세계는 양자역학으로 움직이고 있고, 동시에 중력도 있다. 마음에 들지 않는다고 잘라 버릴 수도 없는데, 양쪽을 모두 포함하는 이론이 없다.

그래도 우주론이 가능한 것은 양쪽이 동시에 중요해지는 장면이 거의 없기 때문이다. 이유는 중력이 "쓰레기처럼 약하기" 때문이라고 노무라는 말한다. 하지만 블랙홀의 중심이나 시간과 공간이 시작된 최초의 순간 같은 극단적인 곳에서는 물질이 꽉 집중되어 중력이 중요해지고, 동시에 크기가 작기 때문에 양자역학도 결정적이 된다. 자연계에 규칙이 있다면, 양자와 중력을 모두 포함하고, 중력이 약한 곳에서는 양자역학으로, 양자 효과가 작은 곳에서는 일반상대성이론으로 귀착되는 통일 이론이 있을 것이다.

특수상대성이론과 양자역학을 합친 이론은 이미 양자장론으로 완성되어 있다. 소립자는 매우 빠르게 움직이므로 이것이 없으면 소립자 물리학을 할 수 없다. 소립자를 다룰 때는 중력을 무시해도 되기 때문이다. 하지만 중력을 넣으려면 일반상대성이론까지 포함하는 양자론이 필요하며, 그것이 완전한 형태로는 만들어지지 않았다. 이것이 양자중력의 문제다.

노무라에 따르면, 양자와 중력을 합치려 하면 잘 되는 방법이 "단 하나도 발견되지 않는다". 그냥 조합하면 수학 단계에서 모순이 생겨, 3+5가 8이 되지 않고 "8+이상한 쓰레기"가 되는 식의, 계산조차 할 수 없는 이론이 되어 버린다. 그런데 매우 특수한 일을 했을 때만 이 쓰레기가 모두 0이 된다. 소립자를 확대해 가면 점이 아니라 끈이고, 그 끈이 9개의 숫자로 한 점이 정해지는 9차원 공간을 움직이고 있다고 생각한 경우다. 이것이 초끈이론이며, 양자중력의 후보 중 하나가 되어 있다.

노무라는 왜 끈이 나오는지를 산란의 예로 설명한다. 평소에는 중력이 너무 약해서 문제가 되지 않는다. 하지만 입자를 매우 높은 에너지로 충돌시키면, 에너지는 중력의 원천도 되기 때문에 중력의 효과를 무시할 수 없게 된다. 그러면 산란 확률이 점점 커져 무한대로 발산해 버린다. 확률이 "무한 퍼센트"라면 의미가 없으며, 이론이 파탄 난 것이다.

중력은 양자역학에서는 중력자(그래비톤)의 교환으로 볼 수 있다. 그것만으로는 무한대가 나오지만, 특정한 질량을 가진 다른 입자 A도 있다고 생각하면 무한대를 지울 수 있다. 다만 다른 쓰레기가 나온다. 그래서 조금 더 무거운 입자 B를 넣으면 그 쓰레기도 사라지지만, 또 다른 쓰레기가 나온다. 이렇게 특정한 질량의 입자를 차례로 더해 가면, 최종적으로 무한대를 완전히 지우고 1+1이 2, 3+5가 8이 되는 이론을 만들 수 있다.

노무라는 여기서 기타 줄을 예로 든다. 줄을 튕기면 마루가 1개, 2개, 3개로 특정한 진동 모드가 이어진다. 띄엄띄엄한 에너지가 있다는 것은, E=mc²에 따라 특정한 질량을 가진 많은 입자가 있다고 볼 수 있다. 중력과 양자역학을 합치기 위해 넣어야 했던 입자의 배열은, 잘 조사해 보니 끈의 진동 패턴과 완전히 일치했다. 그래서 자연계의 근본은 점이 아니라 끈이 아닐까 하고 생각하는 것이다.

초끈이론에는 중력이 들어 있고, 무한대도 없으며, 완전히 양자역학적인 이론이다. 그렇다면 "이미 끝난 거 아냐"라고 생각할지도 모르지만, 그렇지 않다고 노무라는 말한다. 초끈이론을 쓸 수 있는 상황이 한정되어 있기 때문이다.

노무라는 이를 특수상대성이론에 비유한다. 특수상대성이론은 등속으로 움직이는 상황에서는 모순 없는 완전히 옳은 이론이지만, 가속하면 쓸 수 없다. 지금의 초끈이론도 마찬가지로, 한정된 상황에서는 양자역학과 중력이 통합되어 있지만, 그곳을 벗어나면 쓸 수 없다. 그리고 쓸 수 없는 상황에 마침 우리 우주가 해당되어 버린다.

예로 노무라는 블랙홀의 증발을 든다. 블랙홀이 증발하면 나오는 입자는 1개나 2개가 아니라 1억 개, 100억 개나 된다. 지금의 초끈이론을 다루는 방식으로는 이런 상황을 다룰 수 없다. 그래서 적용 범위가 더 넓은 정식화가 필요하다는 것이 연구자들의 인식이다. 그 실마리가 되는 것이 블랙홀이라고 한다.

블랙홀은 매우 많은 질량이 모이거나 밀도가 극단적으로 높아져서, 핵융합 등으로는 중력에 의한 수축을 멈출 수 없게 되어 물질이 한 점으로 찌부러져 간 것이다. 사건의 지평선 안쪽으로 들어가면 빛조차 나올 수 없어, 밖에서는 아무 정보도 얻을 수 없다. 그래서 새까맣고 '블랙홀'이라고 불린다.

여기서 엔트로피 이야기가 나온다. 내레이션은 엔트로피를 어떤 상태가 얼마나 많은 가능성을 갖는지를 나타내는 양으로 설명한다. 물에 떨어뜨린 잉크가 퍼지듯, 자연계에서는 엔트로피가 증가하는 방향으로 일이 진행된다.

노무라에 따르면, 블랙홀이 기묘한 것은 지구처럼 표면이 있는 것이 아니라는 점이다. 빛이 나올 수 없는 경계를 인간이 그어 놓았을 뿐이고, 그곳은 "매끈한" 공간에 불과하다. 공간은 다양한 패턴을 가질 수 없으므로, 고전적인 일반상대성이론으로 생각하면 블랙홀에는 엔트로피가 없는 것처럼 보인다. 그러면 엔트로피를 가진 물체를 블랙홀에 떨어뜨리면 우주 전체의 엔트로피가 줄어들게 된다.

이에 대해 야코브 베켄슈타인이 대담한 제안을 했다. 이미 알려져 있던 블랙홀의 성질로, 지평선의 면적이 A와 B인 두 블랙홀을 합치면, 만들어진 블랙홀의 면적 C는 반드시 A+B보다 커진다. 면적은 일방적으로 늘어나며 줄어드는 일이 없다. 이 성질은 엔트로피와 같다. 그래서 베켄슈타인은 블랙홀이 지평선의 면적에 비례하는 엔트로피를 갖는다고 주장했다. 엔트로피를 가진 분홍색 물을 블랙홀에 떨어뜨리면 블랙홀은 조금 커진다. 그때 늘어나는 면적만큼의 엔트로피는 떨어뜨린 물의 엔트로피보다 반드시 크다는 것을 증명할 수 있다. 즉 전체적으로 엔트로피는 증가하고 있다. 베켄슈타인은 블랙홀도 양자역학, 상대성이론, 통계역학이라는 세 기둥에서 벗어나 있지 않다고 주장한 것이다.

이에 반박하고 나선 것이 스티븐 호킹이었다. 엔트로피가 있다면 온도가 있어야 하고, 온도가 있다면 달군 쇠가 빛나듯 반드시 무언가를 방출해야 한다. 블랙홀은 일방적으로 빨아들이기만 하는 물체이므로, 열역학 제2법칙 이전에 파탄 나 있다는 것이 호킹의 반론이었다. 호킹은 양자역학을 완전히 통일한 이론은 없지만, 일반상대성이론에 양자역학을 "패치워크"처럼 끼워 넣는 계산에 매우 능한 사람이었다. 노무라에 따르면, 호킹은 베켄슈타인의 아이디어가 틀렸다는 것을 보이려고 계산했다. 그런데 블랙홀이 약간 방출하며 증발한다는 것을 발견하고 말았다. 이것이 호킹 복사다. 그 복사로부터 구한 온도는 베켄슈타인이 제창한 엔트로피와 딱 맞아떨어졌다.

하지만 거기서 새로운 문제가 생겼다. 베텔게우스를 찌부러뜨려 블랙홀로 만들었다고 하자. 무게는 같고 무늬 등이 다른 별을 찌부러뜨려도, 블랙홀이 되면 표면에는 무게의 정보만 남으므로 같은 블랙홀이 된다. 그러면 호킹 복사도 완전히 같아져서, 원래 어떤 별이었는지에 대한 정보는 완전히 사라져 버린다.

노무라는 정보야 늘 사라지고 있지 않느냐는 의문을 미리 짚는다. 일기를 태우면 내용은 아무도 모른다. 하지만 물리학에서 말하는 정보는 그런 의미가 아니다. 일기와 잡지를 태워 겉보기가 같아지더라도, 원리적으로는 분자의 위치와 속도, 즉 양자역학적 상태를 모두 엄밀하게 알고 있다면 방정식을 거꾸로 풀 수 있다. 그러면 한쪽은 일기로, 다른 쪽은 잡지로 돌아간다. 원리적으로 정보는 사라지지 않는다는 것이 그때까지의 물리학이었다.

그런데 호킹의 계산이 옳다면, 다른 상태에서 출발했는데도 최종 상태가 엄밀하게 같아진다. 시간 발전이 1대1이 아니게 되는 것이다. 그렇게 되면 과거를 재구성할 수 없고, 물리학에서 예측 가능성이 사라진다. 엔트로피나 온도보다 "훨씬 더 영문을 알 수 없는 문제"이며, 이것이 1970년대 무렵 호킹이 물리학자들에게 들이민 블랙홀 정보 문제라고 노무라는 설명한다.

노무라에 따르면, 이 문제는 최근 호킹이 제기한 원래의 문제는 존재하지 않는다는 방향으로 거의 결론이 나고 있다. 거기서 역할을 한 것이 홀로그래피 원리라고 한다.

블랙홀의 엔트로피가 면적에 비례한다는 것은 잘 생각해 보면 이상하다고 노무라는 말한다. 보통 엔트로피는 부피에 비례한다. 부피를 2배로 하면 2배, 10배로 하면 10배가 된다. 한 변의 길이를 10배로 하면 부피는 1000배가 되므로, 최대 엔트로피도 1000배가 되어야 한다. 면적이라면 제곱으로만 늘어나므로 100배밖에 되지 않는다.

게다가 블랙홀은 그 영역이 가질 수 있는 최대 엔트로피 상태일 것이다. 의자나 책상을 찌부러뜨려 블랙홀로 만들 수는 있어도, 블랙홀이 저절로 의자나 책상이나 베텔게우스로 돌아가는 일은 없다. 엔트로피가 늘어 간 최종 상태가 블랙홀인 것이다. 그 최댓값이 부피가 아니라 면적만큼밖에 없다. 이것이 매우 신기한 일이라고 노무라는 말한다.

여기서 3차원 공간(초끈이론의 작은 차원을 포함하면 9차원)에 들어가는 정보량은 2차원만큼밖에 없으니, 2차원 이론으로 다시 쓸 수 있을 것이라는 제안이 나온다. 이것이 홀로그래피 원리의 기본적인 생각이다. 내레이션은 평면 위의 정보에서 입체상이 떠오르는 홀로그램에 비유한다.

노무라는 이 논의에서 중력이 결정적인 역할을 한다는 점을 강조한다. 중력이 없으면 블랙홀은 생기지 않고, 물건을 얼마든지 채워 넣을 수 있다. 중력이 있기 때문에 3차원의 정보량이 2차원만큼으로 제한된다. 그리고 2차원 쪽에 중력이 있다면 다시 1차원 낮출 수 있게 되어, 결국에는 0차원까지 가 버린다. 그래서 정확히는, n차원의 중력 이론은 자유도 측면에서 n−1차원의 중력을 포함하지 않는 이론과 같아야 한다는 것이 된다. 중력을 포함하지 않는 이론으로 정식화할 수 있다면 양자중력 문제는 애초에 생기지 않는다. 중력이 없으니까, 라고 노무라는 말한다.

이 생각은 흥미롭다고 여겨졌지만 "말뿐인 느낌"이 있었다. 그런데 1997년, 후안 말다세나가 구체적인 예를 발견했다. 멀리 경계가 있는 반 더시터르 공간이라는 공간을 생각한다. 그 공간의 양자중력이 중력을 포함하지 않는 1차원 낮은 특정 이론, 등각 장론과 대응한다는 것을 발견한 것이다. 이른바 AdS/CFT 대응이다. 우리 우주에는 직접 쓸 수 없지만, n차원의 중력 이론이 n−1차원의 중력 없는 이론과 동등한 가치로 쓰일 수 있다는 구체적인 예가 실제로 발견되었다.

말다세나는 이를 초끈이론을 연구하던 중에 발견했다. 그래서 노무라는 "중력 이론은 초끈이론인가, 홀로그래피인가"라는 질문의 방식을 바로잡는다. 초끈이론은 이론의 이름이고, 홀로그래피는 성질의 이름이다. 초끈이론은 홀로그래픽한 이론이며, 둘은 모순되지 않는다.

다만 초끈이론은 쓸 수 있는 장면이 한정되어 있다. 한편 홀로그래피라는 성질은 초끈이론을 쓸 수 없는 우리 우주의 블랙홀에도 있는 것처럼 보인다. 그래서 성질 쪽이 더 일반적이라고 생각된다. 그래서 지금은 홀로그래피를 만족하고, 초끈이론 그 자체가 아니라 그것을 포함하는 이론을 완성하는 방향으로 연구가 진행되고 있다고 노무라는 설명한다.

말다세나의 예에도 적용의 한계가 있다. 중력 쪽 공간에 '더 이상은 없다'는 벽 같은 경계가 필요한 것이다. 하지만 우리 우주에는 아마 경계가 없다. 그래서 이론은 아직 완성되지 않았다.

내레이션은 정보 문제와의 관계를 이렇게 정리한다. 블랙홀을 포함하는 중력의 세계를 경계 위의 다른 이론으로 다시 쓸 수 있다면, 그 이론 안에서 정보는 사라지지 않는다. 정보는 사라진 것이 아니라, 완전한 이론으로 보지 못했을 뿐인지도 모른다. 다만 이 대응이 보여진 것은 경계를 가진 특수한 공간의 경우이며, 우리 우주에 그대로 들어맞는 것은 아니다.

양자중력을 완성하려면 무엇이 필요할까. 노무라는 먼저, 무엇을 하면 되는지 완전히 알고 있다면 하기만 하면 되지만, 그 자체를 모른다고 전제한다. 그러면서 적어도 경계의 존재를 없앨 필요가 있다고 말한다. AdS/CFT는 경계가 있다는 것에 강하게 의존한 정식화로 되어 있기 때문이다. 우리 우주에는 경계가 없는 것 같으므로, 경계가 없는 경우에 홀로그래피를 만족하는 대응 관계를 찾아야 한다.

그것을 초끈이론으로부터 알 수 있을지도 모르지만, 지금으로서는 경계가 없는 경우에 말다세나처럼 초끈이론에서 홀로그래피를 깔끔하게 끌어내는 정식화는 이루어지지 않았다. 다만 힌트는 많다고 노무라는 말한다. 초끈이론은 어떤 종류의 옳은 측면을 포착하고 있어서, 조사해 가다 보면 무엇을 하면 되는지가 보이는 경우가 자주 있다. 거기에 힌트가 있다고 보는 연구자도 있고, 초끈이론을 본질적으로 넘어서지 않으면 안 된다고 보는 연구자도 있다.

많은 연구자가 열쇠가 될 것이라고 보는 것은 홀로그래피라는 성질이다. 하지만 노무라는 완성해 보니 다른 말로 이야기되는 이론이었다는 일도 있을 수 있다고 덧붙이며, "아직 진행 중"이라고 맺는다.

마지막으로 사람은 왜 우주에 끌리는가라는 질문에 노무라는 이렇게 답했다. 어린 시절에는 누구나 우주는 어떻게 되어 있는지, 왜 자신은 여기에 있는지, 우주는 어떻게 생겨났는지 하는 의문을 가지고 있었다. 바빠서 잊고 있을 뿐, 그 의문이 모두의 마음속에 있기 때문일 것이라고.

태양계는 은하 속의 보잘것없는 존재이고, 그 은하도 무수한 은하 속의 점 같은 것이다. 우주조차 많이 있는 우주 중 하나일지도 모른다. 그렇게 생각하면 지구나 자신의 고민 따위는 아무래도 상관없어지지 않을까. 이 질문에 노무라는 "그렇지 않습니다"라고 답한다. 지구는 우주에게 있어도 없어도 그만인, 불면 날아갈 것 같은 존재다. 그렇기 때문에 깨지기 쉽고, 우리가 소중히 하지 않으면 순식간에 망가뜨릴 수 있다. 인생도 마찬가지로, 인간은 불면 날아갈 것 같은 존재이기에 소중히 여기며 살아간다. 우주 연구를 통해 자신들의 보잘것없음을 알기 때문에 오히려 그것이 사랑스러워진다. 그런 의미에서 우주 연구는 자신의 사고방식에 다소 영향을 주고 있을지도 모른다고 노무라는 말했다.

프로그램은 언젠가 우주의 모든 것을 알게 되는 날이 올 것인가라는 질문을 남기고 끝난다. 노무라의 이야기 속에서도 암흑물질의 정체, 암흑에너지의 성질, 멀티버스의 증거, 경계 없는 우주에서 성립하는 홀로그래픽한 양자중력 이론은 모두 아직 답이 나오지 않은 과제로 제시되었다.