블랙홀 정보 역설(black hole information paradox)은 양자역학과 일반 상대성이론의 예측이 결합될 때 나타나는 이론물리학의 난제이다. 이 역설은 블랙홀이 형성되고 이후 증발하는 과정에서, 블랙홀로 빨려 들어간 물질의 '정보'가 영구적으로 소실될 수 있는지의 여부에 관한 문제를 다룬다.
배경
일반 상대성이론은 빛조차 빠져나갈 수 없는 시공간 영역인 블랙홀의 존재를 예측한다. 1970년대에 스티븐 호킹은 휘어진 시공간의 양자장론을 블랙홀에 적용하여, 블랙홀이 호킹 복사(Hawking radiation)라 불리는 형태의 복사를 방출한다는 것을 보여주었다. 호킹은 이 복사의 세부적인 형태가 블랙홀의 초기 상태와 무관하며, 오직 질량, 전하, 각운동량에만 의존한다고 주장했다.
역설의 핵심
양자역학에서 물리계의 상태는 파동 함수로 기술되며, 그 진화는 유니터리 연산자에 의해 결정된다. 유니터리성은 어느 시점의 파동 함수가 과거 또는 미래의 파동 함수를 결정하는 데 사용될 수 있음을 의미하며, 이는 곧 정보가 보존되어야 한다는 것을 뜻한다. 그러나 호킹의 계산에 따르면 블랙홀이 증발한 후 남는 호킹 복사의 최종 상태는 초기 상태의 총 질량, 전하 및 각운동량에 대한 정보만 보유하게 된다. 서로 다른 많은 초기 물리적 상태가 동일한 질량, 전하, 각운동량을 가질 수 있으므로, 서로 다른 초기 상태들이 동일한 최종 상태로 진화할 수 있다는 결론이 도출된다. 이는 초기 상태의 세부 정보가 영구적으로 손실됨을 시사하며, 양자역학의 유니터리성 원리와 모순된다.
역사적 전개
1973년부터 1975년까지 호킹은 블랙홀이 에너지를 천천히 방출한다는 사실과, 이 과정이 유니터리성과 모순되는 정보 손실을 초래할 수 있음을 주장했다. 1976년 호킹은 '중력 붕괴에서의 예측 가능성 붕괴'라는 제목의 논문을 통해 이러한 주장을 체계화했다.
1997년에는 존 프레스킬을 한쪽으로, 스티븐 호킹과 킵 손을 다른 쪽으로 하는 내기가 이루어졌다. 이 내기는 블랙홀에서 정보가 손실되는지 여부를 둘러싼 것이었다. 이후 2004년에 호킹은 AdS/CFT 대응성을 근거로 정보가 실제로 보존된다는 입장을 받아들이며 내기를 인정했다.
주요 해결 시도
정보 역설을 해결하기 위한 다양한 제안이 제시되었다.
첫째, 홀로그래피 원리와 AdS/CFT 대응성에 기반한 접근법이 있다. 이 관점은 호킹 복사가 정확히 열적이지 않고 블랙홀 내부에 대한 정보를 암호화하는 양자 상관관계를 수신한다고 본다.
둘째, 퍼즈볼(fuzzball) 제안은 블랙홀의 지평선이 비어 있지 않으며, 지평선 표면의 구조가 초기 상태에 대한 정보를 보존한다고 주장한다.
셋째, 잔여 시나리오(remnant scenario)는 블랙홀이 완전히 증발하지 않고 플랑크 크기의 잔여물로 남아 정보가 내부에 보존된다는 입장이다.
넷째, 2016년에 호킹, 페리, 스트로민저는 블랙홀이 '부드러운 머리카락(soft hair)'을 포함해야 한다고 제안했다. 이는 질량이 없는 입자들이 낮은 에너지 소프트 입자들에 정보를 저장할 수 있다는 주장이다.
다섯째, 일부 물리학자들(로저 펜로즈 등)은 정보가 실제로 손실된다는 입장을 유지하고 있다.
최근 연구 동향
2019년에 페닝턴, 알헤이리, 엥겔하르트, 마롤프, 맥스필드 등의 연구자들은 특정 양자중력 모형에서 블랙홀이 방출하는 복사의 폰 노이만 엔트로피를 계산할 수 있음을 보여주었다. 이 계산은 복사 엔트로피가 먼저 증가한 후 다시 영으로 감소하는 '페이지 곡선(Page curve)'을 재현했으며, 복제 웜홀(replica wormhole)이라 불리는 새로운 구성이 이 계산에 기여한다는 것을 밝혔다.
다만 이러한 페이지 곡선 계산에 사용된 모형에는 중력자가 질량을 갖는 이론과 '비중력 욕조' 등 인공적인 요소가 포함되어 있어, 이 결과가 실제 블랙홀에 그대로 적용될 수 있는지에 대해서는 학계에서 여전히 논의가 진행 중이다.
현재 상태
블랙홀 정보 역설은 이론물리학에서 활발히 연구되는 미해결 문제로 남아 있다. 현재 대다수의 물리학자들은 블랙홀 증발 과정에서 정보가 실제로는 보존된다고 믿지만, 호킹의 원래 준고전적 계산을 어떻게 정확히 수정해야 하는지에 대해서는 학계 내에서 의견이 분분하다. 이 역설은 중력과 양자역학의 관계에 대한 근본적인 질문을 제기하며, 완전한 양자중력 이론의 발전과 밀접하게 연결되어 있다.
