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[IT뉴스]'인터스텔라' 시간여행은 왜 현실에 없을까…블랙홀 난제 푸는 수학자

온카뱅크관리자

2026-07-13 10:37:31

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 오성진 UC버클리 교수 겸 고등과학원 교수 
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 <img alt="지난 4일 서울 고등과학원에서 만난 오성진 UC버클리 교수 겸 고등과학원 교수는 블랙홀 내부에서 일반상대성이론의 예측 가능성이 유지되는지를 다루는 '강한 우주 검열 가설'을 연구하고 있다. 조가현 기자" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/13/dongascience/20260713103015615gfrf.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="Fqq8NvhDiB" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/13/dongascience/20260713103015615gfrf.jpg" width="658">
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 지난 4일 서울 고등과학원에서 만난 오성진 UC버클리 교수 겸 고등과학원 교수는 블랙홀 내부에서 일반상대성이론의 예측 가능성이 유지되는지를 다루는 '강한 우주 검열 가설'을 연구하고 있다. 조가현 기자
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 영화 ‘인터스텔라’ 속 시간여행은 가능할까.
 영화에서는 블랙홀 안으로 들어간 주인공이 딸의 과거와 연결된다. 놀랍게도 일반상대성이론의 핵심인 아인슈타인 방정식에는 이론적으로 시간여행이 가능한 해가 존재한다.
 올해 삼성호암상 물리·수학부문 수상자인 오성진 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 교수 겸 고등과학원 교수는 이런 현상이 실제 우주에서는 왜 일어나지 않는지 수학으로 연구한다.
 지난 6월 4일 서울 고등과학원에서 만난 오 교수는 자신의 연구에 대해 "극단적인 상황에서 어떤 일이 벌어지는지를 수학적으로 이해하고 증명하는 것"이라며 "무한한 시간이 흐르거나 물리량이 무한대로 발산하는 경우가 대표적"이라고 말했다.
 오 교수의 연구 분야는 '비선형 쌍곡 편미분방정식'이다. 파동과 중력처럼 시간에 따라 퍼져 나가는 현상을 수식으로 나타내는 방정식으로 일반상대성이론의 아인슈타인 방정식도 여기에 속한다. 이런 방정식은 작은 변화가 시간이 흐른 뒤 큰 차이를 만들 수 있어 수학적으로 분석하기 어렵다. 
 블랙홀은 중력이 너무 강해 빛조차 빠져나올 수 없는 영역이다. 외부에서는 블랙홀 내부를 직접 관측할 수 없으며 중심의 특이점에서는 현재의 물리 법칙이 한계에 부딪힌다. 블랙홀 내부를 수학적으로 분석하다 보면 물리학자들이 받아들이기 어려운 가능성과 마주치게 된다.
 시간여행도 그중 하나다. 물리학자들은 오래전부터 이런 일이 실제 우주에서는 벌어지지 않을 것이라고 생각했고 그 믿음을 정리한 것이 '강한 우주 검열 가설'이다. 수학적으로는 시간여행 같은 해가 존재하더라도 실제 우주에서는 사라져 결국 예측 가능성이 유지된다는 내용이다. 
 오 교수는 이를 "연필을 던졌을 때 심 끝에 딱 서 있는 상황"에 비유했다. 수학적으로는 가능한 상태지만 조건이 조금만 달라져도 곧바로 무너지는 불안정한 해라는 뜻이다.
 블랙홀 외부의 작은 변화가 내부로 전달되면 연필을 쓰러뜨리는 바람처럼 시간여행 시나리오도 사라진다. 오 교수는 2017년 구형 대칭성을 가정한 블랙홀 모형에서 강한 우주 검열 가설을 수학적으로 증명했다. 단순화한 모델에서 강한 우주 검열 가설을 처음 증명한 연구로 평가받는다.
 연구의 핵심은 블랙홀 바깥의 작은 변화가 시간이 지난 뒤 어떤 흔적을 남기는지 엄밀하게 규명한 데 있다. 외부에서 생긴 변화는 초기 형태와 관계없이 오랜 시간이 지나면 일정한 규칙에 따라 약해진다. 물리학자들은 이 흔적을 '꼬리(tail)'라고 부른다.
 1972년 미국 물리학자 리처드 프라이스는 꼬리의 세기가 시간에 따라 어떻게 감소하는지를 계산했다. 일명 ‘프라이스의 법칙’이다. 오 교수는 이 법칙을 수학적으로 증명했고 꼬리가 블랙홀 내부의 불안정성을 유발한다는 사실도 함께 증명했다.
 오 교수는 현재 실제 우주의 회전 블랙홀인 커(Kerr) 블랙홀을 대상으로 강한 우주 검열 가설을 증명하는 연구를 이어가고 있다. 2017년 연구가 구형 대칭성을 가정한 단순화된 모델을 다뤘다면 커 블랙홀은 실제 우주에 훨씬 가까운 문제다.
 오 교수는 2017년 연구에서 개발한 증명 전략을 커 블랙홀 문제로 확장하는 과정에서 프라이스 법칙이 모든 상황에 그대로 적용되지는 않는다는 사실을 밝혔다. 이는 1990년대 물리학자들이 컴퓨터 시뮬레이션에서 발견했던 차이의 원인을 설명해준다. 당시 연구진은 프라이스 법칙의 예측과 시뮬레이션 결과가 다르다는 사실을 확인했지만 왜 그런 차이가 생겼는지는 설명하지 못했다.
 오 교수는 "1990년대 시뮬레이션에서 나온 값이 오히려 맞는 값이었다"고 말했다. 수십 년 동안 설명되지 못했던 계산 결과가 수학적 증명을 통해 비로소 설명된 셈이다.
 오 교수는 2024년 구형 대칭성을 가정하지 않은 일반적인 상황에서 꼬리가 어떻게 약해지는지를 계산하고 증명하는 방법론을 개발했다. 블랙홀이 거의 변하지 않고 외부 변화도 매우 작다고 가정했던 기존 계산을 넘어 실제에 가까운 상황을 분석한 결과다.
 오 교수는 오는 7월 23일 미국 필라델피아에서 개막하는 세계수학자대회(ICM)에서 초청강연에 나선다. 세계수학자대회는 4년마다 열리는 수학계 최대 학술행사로 초청강연자는 해당 분야를 대표하는 연구자로 평가받는다.
 ● “좋은 연구를 하려면 실패가 일상이어야 한다” 
 오 교수는 호암상을 받으면서 역할이 바뀌었다는 점도 실감했다. 그는 "2016년 젊은 과학자상을 받았을 때는 잘하고 있으니 계속 열심히 하라는 격려로 받아들였다"며 "이번에는 연구를 열심히 하는 것은 당연하고 주변을 돌아보며 도움을 줄 수 있는 사람이 되라는 의미로 느껴졌다"고 말했다.
 연구자로 성장하는 과정에는 스승의 영향도 컸다. 대학원 시절 오 교수는 파동방정식을 연구하면서 열방정식에 관한 아이디어가 필요해졌다. 관련 분야 경험이 부족했던 그는 지도교수에게 무엇이 중요한지 설명해달라고 부탁했다. 
 그러자 지도교수는 칠판에 학부 교과서 첫 쪽에 나오는 식 한 줄만 적고 "이게 제일 중요해"라고 말한 뒤 연구실을 나갔다. 오 교수는 "처음에는 당황했지만 결국 스스로 공부하며 길을 찾아야 한다는 뜻이었다"며 "연구라는 게 무엇인지 알려주려 했던 것 같다"고 회상했다.
 대학원 말년에는 지도교수와의 소통 방식도 달라졌다. 오 교수는 "만나자고 하면 언제나 시간을 내주셨다"며 "다만 평소에는 학생이 스스로 연구하도록 두는 편이었다"고 말했다. 매주 세미나가 끝나면 지도교수가 엘리베이터로 향하는 몇 분 동안 그 주 연구 내용을 모두 요약해 설명했다. 어떤 시도를 했고 무엇이 잘되지 않았으며 다음에는 무엇을 해볼지 짧은 시간 안에 전달하는 방식이었다. 오 교수는 "교수님은 '굿'이라고 하시고 다음 주에 보자고 하셨다"며 "정말 논의가 많이 필요한 문제가 생기면 그때는 따로 시간을 내주셨다"고 말했다.
 이런 경험은 이후 연구 생활에도 큰 도움이 됐다. 오 교수는 "짧은 시간 안에 핵심을 전달하고 필요한 조언을 얻어내는 훈련이 됐다"며 "박사후연구원 시절 멘토들도 매우 바빴는데 어떻게 함께 일해야 하는지 이미 익숙했기 때문에 연구를 효율적으로 진행할 수 있었다"고 밝혔다.
 수학자는 실패가 일상이라고도 이야기했다. 오 교수는 "좋은 연구를 하려면 실패가 일상이 될 수밖에 없다"며 "새로운 아이디어를 시도했다가 틀리고 다시 생각하고 다른 방법을 찾아보는 일이 반복된다"고 말했다. 
 이어 "그래도 이런 과정 자체가 재미있기 때문에 계속할 수 있는 것"이라며 "연구 초기에는 성과에 대한 압박도 컸지만 수학에 몰입하고 있으면 오히려 마음이 편안해진다"고 설명했다.
 [조가현 기자 gahyun@donga.com]
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