과학자들에게 블랙홀은 여러 이유로 큰 의문이다.

새로운 연구에 따르면 블랙홀은 홀로그램 처럼 모든 정보를 2차원 표면에 축적, 3차원 이미지를 재현할 수 있다. 양자 이론에 의해 확인된 이 블랙홀은 우주에 존재하는 가장 큰 하드 디스크로서 2차원 안에 엄청난 양의 온갖 정보를 저장할 수 있다.

프린스턴 양자 물리학자 존 휠러(John Archibald Wheeler)가 처음 지칭한 ‘블랙홀(black holes)’의 역설은 기억을 가질수 없지만, 탄생 초기 우주뿐만 아니라 가장 최근의 기억을 담고 동시에 모든 기억을 없애는 것으로 알려져 있다.

블랙홀은 이론 물리학의 큰 난제인 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 원리와 중력에 관한 양자 물리학의 이론과 합치시키는 데도 활용된다. 그들은 정보가 없는 단순한 물체이거나 제이콥 베켄스타인(Jacob Bekenstein)과 스티븐 호킹(Stephen Hawking) 주장처럼 거대한 ‘열역학적 엔트로피thermodynamic entropy’를 갖는 가장 복잡한 시스템이 될 것이다.

직관적 연구

두 물리학자 미국 뉴저지 프린스턴의 IAS(Institute for Advanced Study)프란체스코 베니니(Francos Benini)와 이탈리아 SISSA 파올로 밀란(Paolo Milan)은 블랙홀을 연구하기 위해 거의 30년된 아이디어지만 여전히 놀라운 홀로그램hologram) 원리를 사용했다.

연구에서는 이 혁명적이고 다소 반직관적 원리는 주어진 공간 영역에서 중력의 거동이 홀로그램으로 나타날 수 있다고 설명한다. 홀로그래픽 원리는 중력을 포함하지 않는 언어를 사용해 중력을 설명하는 방법으로 양자 역학과의 마찰을 피할 수 있게 한다는 것.

양자이론

베니니와 밀란은 홀로그램 원리 이론을 블랙홀에 적용하는 방식으로 신비한 열역학적 특성이 이해 가능해졌다고 주장한다. 두 물리학자는 “블랙홀이 큰 엔트로피를 가지고 있다고 예측하고 양자역학의 관점에서 관찰하면, 홀로그램과 같이 묘사할 수 있다. 그러나 그것들은 3차원으로 물체를 재생산한다”고 설명한다.

양자 중력 예측

이들은 “이 연구는 양자역학이 일반 상대성이론과 교차할 때 이들 블랙홀과 그것의 특성에 대한 더 깊은 이해를 향한 첫 단계일뿐”이라며 “가까운 미래에, 우리는 관측을 통해 이 연구에서처럼 같은 양자 중력에 관한 이론적 예측을 테스트할 수 있을 것이다. 이는 과학적인 관점에서 볼 때 절대적으로 예외적인 것이 될 것”이라고 말했다.

이를 입증하고 두 가지 불일치 이론을 통합하는 연구는 최근 ‘피지컬 리뷰 X(Physical Review X)’에 발표됐다.

*Black Holes in 4D N=4 Super-Yang-Mills Field Theory

Francesco Benini and Paolo Milan

Phys. Rev. X 10, 021037 – Published 18 May 2020

DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021037