블랙홀을 90도 돌렸을 때

블랙홀에 관한 영상을 보다가 이상한 장면을 발견했다. 검은 원을 가로질러 밝은 빛의 띠가 지나가고, 그 위로 또 하나의 곡선이 솟아 있었다. 마치 두 개의 고리를 직각으로 교차시켜 놓은 모습이었다. 블랙홀 주변에는 강착원반이 형성될 수 있다. 블랙홀로 떨어져 들어가는 물질이 회전하면서 만드는 원반이다. 그런데 블랙홀의 강한 중력은 그 뒤쪽에서 출발한 빛의 경로까지 휘게 만든다. 그래서 원반의 뒤편이 블랙홀 위나 아래로 솟아오른 것처럼 보이기도 한다.

내가 처음 궁금했던 것은 그 두 곡선이었다. 어느 것이 실제 원반이고 어느 것이 빛의 경로가 휘어져 나타난 상인가? 왜 하나는 가로로 놓이고 다른 하나는 세로로 솟아 있는가? 관측 위치를 바꾸면 어떻게 보일까? 그 모습을 이해하려고 블랙홀을 서로 다른 네 방향에서 바라보는 이미지를 만들어 보았다. 정면을 0도라고 정하고 오른쪽 90도, 왼쪽 90도, 후면 180도의 모습을 나란히 놓았다.

〈블랙홀 주변 강착원반과 중력렌즈 효과를 서로 다른 관측 방향에서 비교하기 위해 만든 개념 이미지.〉

네 장의 이미지를 비교하면서 처음에는 단순한 사실을 확인하려 했다. 실제 원반은 하나인데 빛이 휘어지는 바람에 여러 개의 구조가 겹쳐 보일 수 있다는 사실이다. 그런데 이미지를 살펴볼수록 다른 의문이 생겼다. 우리는 왜 가로로 놓인 고리를 정상적인 모습으로 받아들이고 세로로 솟은 고리를 이상하게 느끼는가? 원반은 반드시 가로로 돌아야 하는가? 그렇다면 우주에서 가로와 세로는 무엇을 기준으로 결정되는가? 생각은 여기서부터 다른 방향으로 흘러갔다.

지구에는 북극과 남극이 있다. 태양에도 자전축이 있다. 우리는 그 축을 기준으로 적도면을 정하고, 북쪽과 남쪽을 구별한다. 회전하는 천체의 자전축은 실제로 측정할 수 있는 물리적 방향이다. 그런데 어떤 천체의 자전축이 다른 천체에 비해 90도 기울어져 있다면 어떨까? 당구공을 생각해 보았다. 회전하는 당구공에 다른 공이 부딪히면 회전축이 달라지거나 회전 방향이 반대로 바뀔 수 있다. 행성도 마찬가지다. 반시계 방향으로 자전하던 행성이 엄청난 충격을 받아 시계 방향으로 돌기 시작했다고 가정해 보자. 자전축이 180도 뒤집혔다면 축이 놓인 직선은 처음과 같지만 회전 방향은 정반대가 된다. 외부에서 보면 여전히 같은 구체가 같은 축을 중심으로 돌고 있다. 회전 방향만 반대가 된 것이다. 그렇다면 우리가 그 축의 양 끝을 북극과 남극이라고 부르는 기준은 무엇인가? 어느 쪽이 위이고 어느 쪽이 아래인가?

자전축은 천체의 물리적 상태를 나타내지만, 우리가 그 축의 한쪽을 위라고 부르는 행위에는 관측자의 기준이 들어간다. 천체가 뒤집혔다는 표현조차 무엇을 기준으로 뒤집혔는지 먼저 정해야 성립한다. 나는 오래전부터 이 문제가 이상했다. 우주에는 절대적인 위아래가 없다고 한다. 지구에 살면서 위와 아래를 너무도 당연하게 받아들이는 인간에게는 직관적으로 이해하기 어려운 말이다. 그래서 하나의 구체를 상상했다.

커다란 속이 빈 구체가 있고, 그 안에 어떤 생명체가 살고 있다. 구체 안에는 위아래를 결정해 줄 외부의 중력 기준이 없다. 생명체는 자유롭게 움직이고 회전한다. 구체 바깥에 관측자가 있다면 그 생명체가 어느 방향을 향하고 있는지 볼 수 있을 것이다. 그러나 구체 내부의 생명체에게는 자신의 자세를 절대적인 위아래와 비교할 방법이 없다. 외부 관측자의 눈에는 거꾸로 매달려 있는 것처럼 보여도, 내부의 생명체에게는 거꾸로라는 개념 자체가 성립하지 않을 수 있다.

여기서 내가 생각하는 문제는 생명체의 자세가 아니다. 구체 내부의 생명체가 자신이 속한 구체의 전체 구조를 알 수 있는가 하는 것이다. 그 생명체는 내부를 관찰하고, 거리를 측정하고, 빛이 이동하는 경로를 계산할 수 있을 것이다. 충분한 기술과 시간이 있다면 자신이 사는 공간의 기하학적 성질도 상당 부분 알아낼 수 있을 것이다. 그럼에도 자신이 속한 공간을 외부에서 바라보는 경험은 여전히 불가능할 수 있다. 이것은 우리가 우주를 관측하는 상황과 닮았다.

우리는 우주 안에 있다. 우주에서 오는 빛을 관측하고, 천체의 거리와 운동을 계산하며, 우주의 역사를 추정한다. 그러나 우주 전체를 외부에서 내려다본 경험은 없다. 우주배경복사 지도를 처음 보았을 때도 비슷한 생각을 했다. 그 지도는 우주를 바깥에서 촬영한 사진이 아니다. 관측자에게 사방에서 도달하는 우주배경복사를 방향에 따라 배열하고, 그것을 평면 위에 펼쳐 놓은 것이다. 우리는 타원형 지도에 위와 아래를 정하고, 가운데와 가장자리를 구별한다.

그러나 그 지도에서 위쪽이라고 표시된 방향이 우주 자체의 위쪽이라는 뜻은 아니다. 우리가 보는 것은 우주의 외관이 아니라, 우주 안에 있는 관측자에게 도달한 빛의 기록이다. 그 사실을 생각하다가 예전부터 품어온 의문으로 돌아왔다. 우주에 위아래가 없다는 것은 우주 자체의 성질인가, 아니면 우주를 인식하는 우리의 방식과 관련된 문제인가? 물론 이 질문에는 서로 다른 두 문제가 섞여 있다. 우주에 절대적인 위아래가 없다는 것은 좌표와 방향에 관한 문제다. 우주의 전체 구조를 우리가 얼마나 알 수 있는가는 관측과 기하학에 관한 문제다. 두 문제가 반드시 같은 답을 갖는 것은 아니다.

내가 궁금했던 것은 두 번째 문제였다. 우리는 세 개의 공간 차원 안에서 살아간다. 앞뒤, 좌우, 위아래로 움직이고, 그 세 방향을 이용해 물체의 위치를 나타낸다. 그렇다면 공간 차원이 하나 더 존재한다면 어떨까? 2차원 구면에서만 살아갈 수 있는 생명체를 상상할 수 있다. 그 생명체는 자신의 세계를 따라 움직일 수 있지만, 우리가 구체를 바라보듯 구면 전체를 바깥에서 볼 수는 없다. 우리는 한 차원 높은 공간에서 그 구면을 하나의 물체로 바라볼 수 있다.

이 생각을 우리의 우주에 적용해 보면 어떤 일이 벌어질까? 우리가 경험하는 3차원 공간이 더 높은 차원의 공간과 관계를 맺고 있다면, 우리는 지금까지 생각하지 못했던 방향에서 우주의 구조를 이해해야 할지도 모른다. 물론 실제로 그러한 추가 공간 차원이 존재하는지는 확인되지 않았다. 추가 차원이 발견된다고 해도 그것이 곧 우주의 바깥이나 절대적인 위아래를 의미하지는 않는다. 나는 여기서 새로운 우주론을 주장하려는 것이 아니다. 오래전부터 나를 붙잡아 온 의문은 조금 더 단순하다. 우리가 우주의 전체 구조를 알지 못한다면, 그 이유가 단순히 관측 장비의 부족이 아니라 우리가 속한 공간과 관측 가능한 영역의 한계에 있을 가능성은 없는가?

이 질문은 내가 쓰고 있는 《은하 멸망 사전》의 두 가지 설정과 연결된다. 하나는 폐쇄계이고, 다른 하나는 저장공간이다. 소설에서 은하 문명은 광자 결손을 발견한다. 빛이 사라지는 것처럼 보이는 현상이다. 관측과 계산을 반복해도 설명되지 않는 결손이 나타나고, 문제는 에너지와 물질의 전달 과정으로 확대된다. 문명은 에너지 보존법칙을 쉽게 포기하지 않는다. 사라진 것처럼 보이는 에너지가 실제로 소멸한 것이 아니라면 어디에 있는가?

이 질문을 따라가면 곧 폐쇄계의 문제가 나타난다. 폐쇄계는 물질의 출입이 없지만 에너지는 교환할 수 있는 물리계다. 물질과 에너지가 모두 출입하지 않는 계는 고립계다. 그런데 어떤 계가 폐쇄되어 있다고 판단하려면 먼저 그 계의 경계를 알아야 한다. 그 경계 밖에 무엇이 있는지 모른다면, 우리가 완전한 폐쇄계라고 믿는 영역이 실제로는 더 큰 물리계의 일부일 가능성을 배제할 수 있을까? 여기서 언어의 문제도 생긴다. 우주라는 단어를 존재하는 모든 것으로 정의한다면 우주의 바깥은 정의상 존재하지 않는다. 무엇이 발견되든 그것까지 우주에 포함시키면 되기 때문이다.

그러나 그 정의가 우리가 현재 관측할 수 있는 영역이 존재의 전부라는 사실을 증명해 주지는 않는다. 우주 전체와 관측 가능한 우주는 같은 말이 아니다. 《은하 멸망 사전》의 〈폐쇄계〉는 바로 이 문제를 다룬다. 소설은 우주에 바깥이 있다고 선언하지 않는다. 바깥이 없다고 증명하지도 않는다. 은하 문명이 자신이 이해하고 있던 물리계의 경계에 의문을 갖게 되는 과정을 보여준다. 나는 이 문제에 확정적인 답을 주고 싶지 않았다. 어쩌면 답을 모른다는 사실이 작품의 출발점이기 때문이다.

저장공간은 여기서 한 걸음 더 나아간 소설적 가정이다. 《은하 멸망 사전》의 마지막 과학자는 기존 시공간과 연결되는 새로운 인과영역을 만든다. 외부에서 관측되는 연결부는 작지만, 그 안쪽의 공간은 입구의 크기만으로 설명되지 않는다. 이 공간은 우주 어딘가에 놓인 거대한 창고가 아니다. 행성의 지하나 블랙홀 뒤편에 숨겨 놓은 방도 아니다. 기존 시공간과 연결되어 있으면서도, 우리가 익숙하게 사용하는 공간의 크기와 거리 개념으로는 곧바로 이해하기 어려운 영역이다.

소설에서 과거에 결손으로 기록된 에너지는 이 저장공간과 연결된다. 기존 은하 문명은 자신이 관측할 수 있는 영역에서 에너지가 사라졌다고 판단했지만, 더 큰 물리계를 고려하면 다른 해석이 가능해진다. 이것은 검증된 물리학적 장치가 아니라 소설을 위해 설정한 시공간 구조다. 에너지의 이동과 축적이 어떻게 이루어지는지까지 설명하려면 작품 속에서 별도의 물리적 조건을 가정해야 한다. 그런데 이 저장공간을 생각할 때마다 내가 오래전부터 품었던 의문이 되살아난다. 우리는 공간이란 무엇인지 얼마나 알고 있는가?

눈앞의 입구가 작다고 해서 그 입구와 연결된 공간도 반드시 작아야 하는가? 우리가 측정하는 거리와 부피가 우리가 접근할 수 없는 다른 영역에서도 같은 방식으로 성립해야 하는가? 그리고 무엇보다, 우리가 관측하지 못하는 영역을 존재하지 않는 영역과 동일하게 취급할 수 있는가? 물리학은 관측할 수 없는 것을 마음대로 존재한다고 선언하는 학문이 아니다. 관측의 한계를 인정하는 것과 그 바깥에 무엇이 있다고 주장하는 것은 전혀 다른 일이다. 나 역시 그 차이를 알고 있다.

그래서 이 문제를 소설 속에서 해결하지 않았다. 폐쇄계가 실제로 어디까지인지, 저장공간이 기존 우주와 어떤 관계에 있는지, 그 전체를 어떤 공간이라고 불러야 하는지에 관한 최종적인 설명은 남겨 두었다. 소설 속 문명도 자신이 발견한 현상과 자신이 이해한 세계 사이의 간격을 끝내 모두 해소하지 못한다. 오늘 블랙홀의 이미지를 네 방향에서 바라보다가 오래된 생각을 다시 꺼내게 되었다. 처음에는 두 곡선 중 어느 것이 실제 강착원반의 모습인지 궁금했을 뿐이다. 그 의문은 위아래의 기준으로, 관측자의 위치로, 우주의 전체 구조로 이어졌다. 그리고 다시 폐쇄계와 저장공간으로 돌아왔다.

블랙홀의 이미지는 내가 오래전부터 고민해 온 문제를 새롭게 발견하게 만든 것이 아니라, 그 문제를 다시 생각할 수 있는 구체적인 출발점이 되어 주었다. 네 장의 이미지에서 관측 방향을 바꾼다고 실제 블랙홀의 구조가 바뀌는 것은 아니다. 달라지는 것은 관측자에게 보이는 모습이다. 그렇다면 우리가 우주라고 부르는 세계는 어떨까? 우리가 바라보는 방향을 바꾸고, 관측 장비를 발전시키고, 계산을 정교하게 만들어도 여전히 접근하지 못하는 영역이 있을 수 있다. 그 영역이 실제로 존재하는지, 우리가 언젠가 그것을 알 수 있을지는 모른다.

내가 오랫동안 생각해 온 것은 우주에 위아래가 존재한다는 주장이 아니다. 우리가 우주의 안에 있다는 사실이, 우주 전체에 대해 무엇을 알 수 있고 무엇을 알 수 없는지를 결정하는 조건일지도 모른다는 의문이다. 블랙홀을 90도 돌려 바라보는 것으로 시작한 사고실험은 결국 그 오래된 질문으로 돌아왔다.