화이트홀은 정말 존재할까?! 블랙홀을 거꾸로 돌리면 생기는 것

블랙홀 내부의 시간이 멈추는지에 대해 다뤘던 글에서, 시간이 한쪽 방향으로만 흐르도록 강제된다는 점이 가장 신기했습니다. 그런데 물리학 방정식이라는 것이 참 묘한 구석이 있습니다. 아인슈타인의 일반상대성 이론 방정식을 풀다 보면, 블랙홀과 정확히 반대되는 성질을 가진 천체가 수학적으로 함께 등장합니다. 바로 화이트홀입니다. 이번 글에서는 이 화이트홀이라는 개념이 무엇이고, 정말로 우주에 존재할 수 있는지를 정리해봤습니다.

 

화이트홀이란 무엇일까? 

화이트홀을 가장 쉽게 설명하면, 블랙홀을 시간 역순으로 재생한 것과 같습니다. 블랙홀은 모든 것을 빨아들이고 아무것도 내보내지 않는 천체입니다. 반대로 화이트홀은 아무것도 빨아들이지 않고 오직 밖으로 물질과 빛을 내보내기만 하는 천체로 정의됩니다.

사건의 지평선이라는 개념도 정반대로 작동합니다. 블랙홀의 사건의 지평선은 안으로 들어가는 것은 허용하지만 나오는 것은 막습니다. 화이트홀의 사건의 지평선은 반대로, 밖으로 나가는 것은 허용하지만 안으로 들어가는 것을 막습니다.

처음 이 개념을 접했을 때 저는 단순히 "블랙홀의 반대말"이라고 가볍게 넘겼습니다. 그런데 조금 더 들여다보니 이게 단순한 언어 유희가 아니라 실제 아인슈타인의 중력장 방정식에서 수학적으로 정당한 해(solution)로 도출된다는 사실을 알게 됐고, 그 점이 훨씬 흥미롭게 느껴졌습니다.

수학은 허락하지만, 자연은 허락하지 않을 수 있다 

여기서 중요한 구분이 필요합니다. 화이트홀이 방정식에서 유효한 해로 나온다는 것과, 그것이 실제 우주에 존재한다는 것은 전혀 다른 이야기입니다.

일반상대성 이론의 방정식은 시간에 대해 대칭적인 구조를 가지고 있습니다. 쉽게 말해 방정식 자체는 시간이 앞으로 흐르든 뒤로 흐르든 수학적으로 문제가 없다는 뜻입니다. 그런데 우리가 사는 우주는 명백히 시간이 한 방향으로만 흐릅니다. 컵이 깨지는 장면을 거꾸로 돌리면 부서진 조각이 다시 모여 컵이 되는데, 우리는 이런 일이 실제로 일어나는 것을 본 적이 없습니다. 이것을 물리학에서는 '시간의 화살'이라고 부릅니다.

화이트홀은 정확히 이 문제에 부딪힙니다. 방정식은 가능하다고 말하지만, 우리 우주에서 관측되는 시간의 흐름 방향, 즉 열역학 제2법칙(엔트로피는 항상 증가한다는 법칙)과는 정면으로 충돌하는 존재입니다.

저는 이 지점에서 물리학이라는 학문의 흥미로운 한계를 느꼈습니다. 수식이 허락하는 것과 자연이 실제로 허락하는 것 사이에는 분명한 간극이 있을 수 있다는 것을, 화이트홀이라는 개념이 아주 명확하게 보여주고 있다고 생각합니다.

화이트홀이 실제로 존재하기 어려운 이유 

화이트홀의 존재를 가로막는 결정적인 문제는 불안정성입니다. 이론 물리학자들의 분석에 따르면, 만약 화이트홀이 만들어진다 해도 외부에서 들어오는 아주 작은 물질이나 방사선조차 화이트홀을 순식간에 붕괴시켜 블랙홀로 바꿔버릴 가능성이 매우 높다고 합니다.

화이트홀은 정의상 아무것도 들어올 수 없어야 하는데, 우주에는 빈 공간이라는 것이 사실상 없습니다. 우주배경복사라고 불리는, 빅뱅의 잔열에 해당하는 미세한 전자기파가 우주 전체에 가득 차 있습니다. 이 복사조차도 화이트홀의 안정성을 무너뜨릴 수 있다는 게 여러 이론적 연구의 결론입니다.

이 부분을 읽으면서 저는 화이트홀이 마치 '이론적으로는 완벽하지만 현실에서는 한순간도 버티지 못하는 설계도'처럼 느껴졌습니다. 종이 위에서는 완벽하게 작동하는데, 실제로 만들면 바람 한 번에 무너지는 건축물 같은 인상이었습니다.

화이트홀과 빅뱅의 유사성 

개인적으로 가장 매력적으로 느껴졌던 부분은 화이트홀과 빅뱅 사이의 유사성입니다. 화이트홀은 한 점에서 모든 것이 한꺼번에 쏟아져 나오는 구조를 가지고 있습니다. 그런데 이것은 우주의 시작, 즉 빅뱅의 모습과 본질적으로 비슷한 그림입니다.

일부 우주론 학자들은 빅뱅 자체를 일종의 거대한 화이트홀 사건으로 해석하는 가설을 제시하기도 했습니다. 우리 우주 전체가 사실은 더 큰 차원에 존재하는 블랙홀의 반대편, 즉 화이트홀에서 쏟아져 나온 물질로 이루어졌다는 발상입니다.

이 가설을 처음 접했을 때 솔직히 약간 소름이 돋았습니다. 우리가 살고 있는 이 우주 자체가, 어딘가 다른 우주에 있는 블랙홀의 '반대편 출구'일 수도 있다는 상상은 과학적 검증 여부를 떠나서 듣는 것만으로도 묘한 전율을 줍니다. 물론 현재로서는 검증 가능한 증거가 거의 없는 사변적인 가설에 가깝다는 점은 분명히 짚어두어야 할 것 같습니다.

그렇다면 웜홀과 화이트홀은 같은것일까?!

화이트홀을 다루다 보면 자주 함께 언급되는 개념이 웜홀입니다. 둘은 다른 개념이지만 흥미로운 연결고리가 있습니다.

웜홀은 우주의 서로 다른 두 지점을 연결하는 시공간의 통로입니다. 이론적으로 한쪽 입구가 블랙홀처럼 작동하고 반대쪽 출구가 화이트홀처럼 작동하는 구조로 웜홀을 설명하는 모델이 존재합니다. 즉 블랙홀로 빨려 들어간 무언가가 웜홀을 통과해 멀리 떨어진 어딘가의 화이트홀로 튀어나온다는 그림입니다.

다만 이런 구조 역시 웜홀의 안정성을 유지하기 위해서는 '음의 에너지'를 가진 특수한 물질이 필요하다고 알려져 있는데, 이런 물질이 실제로 존재하는지는 아직 확인된 바가 없습니다. 영화에서 자주 등장하는 시간여행이나 평행우주 이동 같은 설정의 과학적 토대가 바로 이 부분이지만, 현재 물리학의 검증 수준에서는 여전히 가설 단계에 머물러 있다고 보는 것이 정확할 것 같습니다.

---

화이트홀은 수학적으로는 충분히 그럴듯하지만, 현실 세계의 물리 법칙 앞에서는 너무나 쉽게 무너지는 개념입니다. 그럼에도 저는 이 화이트홀이라는 아이디어가 가진 가치를 낮게 보지 않습니다. 때로는 실현 불가능해 보이는 이론적 개념이 오히려 우리가 당연하게 여기던 것들, 이를테면 시간이 한 방향으로만 흐른다는 사실 자체를 다시 들여다보게 만드는 계기가 되기 때문입니다.

블랙홀 내부에서 시간이 멈추는 듯 보이는 현상과, 그 블랙홀의 거울상이라 할 수 있는 화이트홀이 우리 우주의 시간 비대칭성 때문에 존재할 수 없다는 사실은 결국 같은 질문으로 이어집니다. 시간이란 무엇이고, 왜 한 방향으로만 흐르는가. 이 질문에 대한 완전한 답은 아직 누구도 갖고 있지 않은 것 같습니다.

---

블랙홀 내부에서는 시간이 정말 멈출까?

블랙홀 정보 역설이란 무엇인가