스티븐 호킹 박사학위 논문을 알아보자

2018.04.06 11:36

2018년 3월 13일, 충격적인 소식이 전해졌다. 세계적인 물리학자 스티븐 호킹이 타계했다는 소식이다. 그는 우주와 시간에 대한 근원적인 물음에 답해 왔다.

 

 

2017년 10월, 영국 케임브리지대는 호킹의 1966년 박사학위 논문을 공개했다.  박사는 “이를 계기로 많은 사람들이 별을 보며 우주에서 우리의 위치를 생각하고,  우주를 이해해 보길 희망한다”는 말을 남겼다.

 

호킹이 박사학위 과정에서 연구하던 1960년대에는 빅뱅 우주론과 정상상태 우주론이 경쟁하던 상황에서,  빅뱅 우주론을 지지하는 관측 증거가 나와  그쪽으로 무게가 쏠리고 있었다.

 

이미지 확대하기1960s, 빅백 우주론과 정상상태 우주론이 경쟁하던 상황 - 과학 읽어주는 언니 제공
1960s, 빅백 우주론과 정상상태 우주론이 경쟁하던 상황 - 과학 읽어주는 언니 제공

빅뱅우주론 지지자였던 호킹의 박사학위 논문은  빅뱅우주론의 타당성을 이론적으로 더욱 견고하게 다진 것으로 평가 받는다.

 

호킹은 논문에서 가장 먼저 정상상태 우주론의 문제를 지적했다. 빅뱅 우주론은 우주가 대폭발에 의해 탄생해 지금까지 팽창해 왔다는 주장인 반면, 정상상태 우주론은 우주가 시간에 따른 변화 없이 일정하게 유지된다는 가설이다.

 

정상상태 우주론 학자인 프레드 호일과 그의 제자 자이안트 날리카는 정상상태 우주론을 뒷받침하는 ‘중력 이론’을 발표했다. 하지만 호킹은 그 이론을 계산했을 때 질량과 관성질량이 모두 음(-)인 물체가 생긴다는 점을 지적했다. 물질과 반대되는 특성을 가진 반물질조차도 관성질량은 양(+)의 값을 갖는다.  음이 나오면 현재 우주 모형에 위배되는 것이다.

 

이미지 확대하기호킹 박사학위의 논문은 빅뱅우주론의 타당성을 이론적으로 견고하게 다진 것으로 평가 받는다 - 과학 읽어주는 언니 제공
호킹 박사학위의 논문은 빅뱅우주론의 타당성을 이론적으로 견고하게 다진 것으로 평가 받는다 - 과학 읽어주는 언니 제공

 

두 번째 주제는 팽창하는 우주에서 나타나는 섭동을 수학적으로 계산해 그 의미를 밝힌 것이다. 섭동이란, 간단히 말해 변화다. 우주 진화에서 섭동의 의미를 분석한 학자들이 전에도 있었지만, 명확한 물리적 의미를 끌어내지는 못했다.

 

호킹은 계산 결과, 작은 수준의 섭동으로는 은하를 만들어낼 수 없다고 주장했다. 세 번째로 중력파에 대해서는,  아인슈타인과 빌렘 드 지터가 제안한 팽창하는 우주 모형과 관련해  “(이들 모형에서는) 중력파가 발생할 경우 우주가 다시 특이점으로 돌아갈 수 있다”며 아인슈타인을 ‘디스’했다.

 

여기서 중력파란 2017년 노벨물리학상 수상자들이 관측한 중력파가 아니고, 2014년 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터가  찾았다고 했다가 잡음인 것으로 밝혀진 우주 초기 중력파다.

 

호킹 논문의 하이라이트는 정상상태 우주론자들이 주장하는 빅뱅우주론의 약점을 멋지게 방어한 마지막 부분이다! 정상상태 우주론파 학자들은 에너지와 물질의 밀도가 무한대인 특이점으로부터 우주가 시작된다는 것은 말도 안 된다고 공격해 왔는데, 호킹은 특이점이 생기는 현상이 수학적으로 문제가 없다는 것을 증명했다. 이를 ‘특이점 정리’라고 부른다.

 

여기에서 자신감을 얻은 그는 결국 블랙홀에 존재하는 특이점 역시 충분히 생길 수 있는 현상이라는 것을 수학적으로 밝혀 또 한 번의 중요한 업적을 성취한다. 블랙홀이 물질을 빨아들이기만 할 뿐 아니라 방출하기도 한다는 ‘호킹 복사’를 밝혀내는 등 블랙홀 연구로 세계적인 명성을 얻었다.

 

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