DBR·과학동아 공동기획 Science Review

스티븐 호킹의 일생

247호 (2018년 4월 Issue 2)

우리에게 천재 물리학자로 알려진 스티븐 호킹이 2018년 3월 14일 76세의 나이로 타계했다. 그는 우주론의 한 획을 그은 기념비적인 인물이었고, 불치병으로 알려진 루게릭병과 50여 년을 싸워 이긴 전사였다. 또, 두 번의 결혼생활에 실패한 외로운 사람이기도 했다.

갈릴레오 갈릴레이가 사망한 지 딱 300년이 되던 날 태어나, 알베르트 아인슈타인의 생일에 생을 마감한, 탄생부터 죽는 순간까지도 특별했던 그의 76년 일생을 조명해봤다.

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1942 1월 8일 영국 옥스퍼드 출생
1959 17세에 옥스퍼드대 입학
1962 옥스퍼드대 졸업 뒤 케임브리지대 대학원에 입학해 상대론과 우주론 연구 시작
1965 제인 와일드와 결혼
1966 논문 ‘확장하는 우주의 성질들’로 케임브리지대 박사학위 취득
1970 블랙홀과 빅뱅의 존재를 증명. 우주 팽창의 시작에는 무한대의 밀도를 가진 ‘특이점’이 존재한다고 밝힘
1974 ‘호킹 복사(블랙홀 증발)’ 이론 발표. 블랙홀이 호킹 복사를 통해 질량을 상실한다는 내용. 이론물리학계 스타로 발돋움. 사상 최연소 영국왕립학회 회원으로 선출
1979 케임브리지대 루카스 석좌교수 임명
1983 '무경계 우주론’을 발표. 우주는 공간적인 부피는 있지만 물리적인 경계가 없다는 이론
1988 대중을 대상으로 한 교양 과학서 ‘시간의 역사(Brief History of Time)’ 집필. 세계적으로 1000만 부 이상 판매
2001 ‘호두 껍질 속의 우주’ 집필
2004 자신의 블랙홀 이론 1차 수정. 블랙홀로 빨려 들어간 정보가 다시 나올 수도 있음을 인정. 이 문제를 두고 내기를 했던 존 프레스킬 미국 캘리포니아공대 교수에게 백과사전 선물
2014 블랙홍 이론 2차 수정
2018 3월 14일 76세로 별세


2018년 3월 14일, 우주론에 한 획을 그은 스티븐 호킹 박사가 76세의 나이로 타계했다. ‘비운의 천재’로 불리던 호킹 박사는 21세부터 근육이 점차 힘을 잃어가는 루게릭병을 앓으면서도, 특이점 정리, 호킹 복사 이론 등 우주론의 역사에 굵직한 이론들을 남기고 떠났다. 과학계의 큰 별이었던 호킹 박사를 애도하며 그의 일생을 돌아봤다.

다른 이들보다 늦었던 어린 시절

호킹은 1942년 1월 8일 영국 옥스퍼드에서 태어났다. 갈릴레오 갈릴레이가 사망한 지 딱 300년이 되던 날이었다(이는 호킹의 자서전 ‘나, 스티븐 호킹의 역사’에서 본인이 쓴 내용이다). 호킹의 가족은 원래 런던에서 거주하고 있었지만, 제2차 세계대전이 벌어지던 그때 옥스퍼드와 케임브리지를 폭격하지 않겠다는 독일의 약속에 잠시 옥스퍼드에 머물고 있던 중이었다.

생물학자였던 호킹의 부친은 장차 호킹을 영국의 명문대로 손꼽히는 옥스퍼드대에 진학시킬 생각으로, 그가 네 살이 되던 해부터 런던 교외에 있는 사립학교인 바이런 하우스 스쿨에 보냈다. 당대의 기준에서는 매우 진보적인 결정이었다.

하지만 부모의 욕심과는 다르게 호킹은 학습 능력이 더딘 편이었다. 여덟 살이 돼서야 글을 읽을 줄 알았으니 말이다(오히려 그의 여동생 필리파 호킹은 네 살에 깨우쳤다고 한다). 그가 열두 살이 되던 해에는 친구들이 사탕 주머니를 걸고 호킹이 제대로 된 인간으로 성장할 수 있는지에 대해 내기를 걸 정도였다. 그의 부모 역시 옥스퍼드대 진학을 단념했다고 한다.

하지만 호킹은 보란듯이 열일곱 살의 나이로 옥스퍼드대 물리학과에 진학했다. 비록 대학에서 눈에 띌 정도로 공부를 잘하는 학생은 아니었지만, 조정 경기의 키잡이로 활약하며 많은 여학생들의 눈길을 받는 행복한 대학시절을 보냈다. 하지만 그의 인생에서 대학시절이 큰 역할을 한 이유는 따로 있었다. 훗날 우주론의 특이점 이론을 함께 연구한 로저 펜로즈 옥스퍼드대 교수를 만났기 때문이다.

루게릭병의 시작

대학을 졸업할 무렵 호킹은 공무원에 지원했지만, 필기 시험 날짜를 잊어버려 시험을 치르지 못했다. 이론물리학계의 입장에서 보면 얼마나 다행인 일인지(!). 그는 자신의 자서전을 통해 “내가 공무원이 되지 않은 것은 다행이다. 나는 장애인으로서 공무원 생활을 감당하지 못했을 것이다”라고 고백하기도 했다.

그는 연구를 계속하기 위해 1962년 영국 케임브리지대 대학원에 진학했다. 그는 이때부터 우주론에 관심이 많았다. 저명한 영국의 천문학자였으며 정상우주론의 옹호자였던 프레드 호일을 지도교수로 신청했지만, 안타깝게도 데니스 시아마라는 교수를 지도교수로 배정받았다. 하지만 결과적으로 이는 호킹의 연구에 큰 도움이 됐다. 상대적으로 시간이 많았던(?) 시아마 교수는 호킹과 많은 이야기를 나눌 수 있었고, 호킹은 훗날 자신의 생각을 발전시키는 데 큰 자극이 됐다고 고백했다.

그가 흥미를 보인 분야는 우주론과 기본입자물리학이었다. 당시 기본입자물리학은 활발히 연구되는 분야였던 반면 우주론은 1930년대의 연구에서 나아가지 못하고 있었다. 하지만 잠재력 있는 분야라고 판단한 호킹은 과감하게 우주론을 선택했다.

그가 몸의 이상을 느낀 건 바로 이때부터였다. 옥스퍼드대를 졸업하던 해부터 몸놀림이 점점 느려지는 것을 느끼긴 했지만, 병원에서 그가 들은 말은 “맥주를 끊으라”는 것뿐이었다. 하지만 케임브리지로 이사한 이후 증세가 점점 악화됐고, 어느 저녁 스케이트를 타다가 넘어진 후 스스로 일어나지 못했다. 정밀 검사를 받은 그는 불치병에 걸렸음을 알게 됐고, 수년 안에 사망할 수도 있다는 진단을 받았다. 그의 나이 스물 한 살 때의 일이었다.

하지만 그는 절망하지 않았다. 충격에 빠져있던 그가 작게나마 삶을 즐길 수 있었던 건 훗날 부인이 된 제인 와일드와의 만남이었다. 호킹은 그녀와 결혼하기 위해 직장을 구했다. 케임브리지대의 곤빌 앤 케이어스 칼리지 연구원직이었다. 그리고 그는 1965년 7월 결혼에 성공했다.

호킹의 유명세와 결혼생활

안타깝게도 호킹의 결혼생활은 그리 평탄하지 못했다. 결혼하고 몇 년간 호킹과 제인은 제법 좋은 관계를 유지했다고 한다. 루게릭병을 앓는 환자가 생존하는 기간이 평균적으로 2년인데도 불구하고, 결혼을 서두른 걸 보면 두 사람의 사랑이 얼마나 뜨거웠겠는가. 둘은 결혼한 지 2년 만에 첫째 아이 로버트 호킹을 품에 안았고, 그로부터 3년 뒤 둘째 아이 루시 호킹이 태어났다.

둘의 사이가 조금씩 삐걱거리기 시작한 건 호킹이 ‘호킹 복사’ 이론을 내놓으며 유명해지기 시작하던 1974년부터였다. 1974년은 호킹에게는 꽤 의미 있는 한 해였다. 전 세계를 놀라게 한 이론을 완성시킨 해이자, 영국왕립학회에 최연소 회원으로 뽑힌 해이기도 했다. 하지만 제인은 호킹이 왕립학회 회원이 된 이후 그가 목표를 달성했고, 이제 점점 내려갈 일만 남았다는 생각에 우울해 했다.

케임브리지에 있던 호킹이 미국 캘리포니아공대(칼텍) 교수로 부임하면서 그녀의 우울증은 좀 나아지는 듯 했지만, 1975년 케임브리지로 돌아오며 우울증은 다시 시작됐다. 호킹은 당시 “캘리포니아의 따뜻한 날씨와 ‘할 수 있다’는 특유의 긍정적인 분위기에 비해 영국은 어둡고 답답하게 느껴졌다”고 고백했다.

설상가상으로 호킹의 증세도 나날이 악화됐다. 그 무렵 호킹은 집 계단조차 오르내릴 수 없을 정도였다. 그러던 중 1979년 막내 아들 티모시 호킹이 태어났다. 제인은 호킹이 세상을 떠난 뒤 세 아이를 부양해 줄 사람이 필요하다고 생각했고, 동네 교회의 오르간 연주자인 조너선 존스에게 집의 방 한 칸을 내어줬다.

이쯤만 돼도 매우 괴로운 상황인데, 호킹에게는 또 한 번의 시련이 다가왔다. 1985년 유럽입자물리연구소(CERN)로 이동하던 중 폐렴에 걸리고 만 것이다. 다행히도 죽을 고비는 넘겼지만, 기관절개 수술을 해야만 했다. 그 이후 호킹은 목소리를 잃었다.

반면 제인과 조너선의 관계는 점점 가까워졌다. 호킹은 그를 돌보던 간호사 중 한 명인 일레인 메이슨과 함께 이사를 갔고, 결국 호킹과 제인은 이혼을 결정했다. 1995년 호킹은 일레인과, 제인은 조너선과 각각 재혼했다.

두 번째 결혼과 이혼, 상습폭행 의혹까지
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호킹과 제인의 결혼생활에 대해서는 여전히 말이 많다. 2014년 둘의 사랑을 그린 영화 ‘사랑에 대한 모든 것’이 개봉하며 미국 아카데미상, 골든 글로브상 등 내로라하는 영화제에서 많은 상을 거머쥐었다. 하지만 같은 해 제인이 영국의 잡지매체인 ‘라디오타임스’와의 인터뷰에서 “호킹이 천재 물리학자로 명성을 얻은 뒤에는 아첨꾼들에게 둘러싸여 가족은 뒷전이었다”고 고백하며, 둘의 결혼생활은 많은 이의 입방아에 오르게 됐다. 무엇이 진실인지는 알 수 없으나 호킹의 결혼생활이 순탄치 않았던 것은 그 역시도 인정한 사실이다.

호킹의 두 번째 결혼 역시 쉽지 않았다. 2004년 두 번째 부인인 일레인이 호킹에게 상습적인 폭행을 가한다는 의혹이 제기된 것이다. 호킹을 24시간 돌보던 의료팀에서 일했던 한 간호사가 영국 언론과의 인터뷰를 통해 “일레인이 호킹 박사를 상습적으로 폭행하고, 면도날로 호킹 박사의 목에 상처를 입히기도 했다”고 증언했다.

당시 호킹 박사는 손목이 부러지거나 온몸에 멍이 들고 상처가 나 있는 등 폭행 흔적이 있어 가족들도 수사를 원했으나, 당사자가 이를 원치 않아 제대로 된 수사가 이뤄지지는 못했다. 전문가들은 일레인이 관심을 끌기 위해 거짓말을 하는 정신질환인 ‘뮌하우젠 증후군’을 앓고 있을 가능성이 크다고 판단했지만, 호킹 박사가 침묵으로 일관하며 그 어떤 것도 정확하게 밝혀지진 않았다.

호킹의 가족들은 이런 의혹에 대해 안타까움과 분노를 전했지만, 정작 호킹 박사는 자신의 자서전에서 일레인과의 결혼생활을 이렇게 표현했다. “(죽을 고비를 맞이했을 때) 그녀가 나를 소생시키지 않았다면, 나는 죽었을 것이다. 이 모든 위기들은 일레인에게 정서적으로 너무나 버거웠다.”호킹과 일레인은 결국 2007년 이혼했고, 이후 호킹은 홀로 지냈다.
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호킹 연구의 신호탄: 특이점 정리

이제 호킹이 이뤄낸 연구의 성과들에 초점을 맞춰보자. 호킹이 박사과정에 있던 1960년대에는 프레드 호일의 ‘정상우주론’이 주류를 이뤘다. 정상 우주론은 우주는 불변하고 그 안에서 꾸준히 새로운 물질이 만들어지고 팽창하면서 평균 밀도를 일정하게 유지한다는 가설이다.

하지만 1965년 마이크로파 배경복사로 이 이론은 치명타를 입었다. 과거의 우주는 뜨겁고 밀도가 높은 단계가 있었음이 밝혀졌기 때문이다. 호킹은 “수축하던 우주가 특정 밀도에 이르러 다시 팽창하기 시작했는가”라는 물음의 답을 찾기 위해 로저 펜로즈가 증명한 특이점에 주목했다.

특이점은 엄청난 중력을 가지고 있어, 시공간을 포함한 모든 것이 사라지는 우주 공간의 한 점을 말한다. 호킹은 펜로즈와 함께 우주의 팽창을 역으로 계산해 시간과 공간이 시작된 특이점, 즉 빅뱅이 존재한다는 것을 수학적으로 증명했다. 1966년 호킹은 이 결과를 박사학위 논문으로 제출했고, 케임브리지대에서 매년 눈에 띄는 수학적 연구결과를 내놓은 연구자에게 수여하는 애덤스 상을 받았다.

호킹을 물리학계 스타로: 호킹 복사 이론

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블랙홀의 특이점 정리를 계기로 호킹은 본격적인 블랙홀 연구에 나섰다. 몸은 휠체어 위에 있었지만 그의 생각과 열정만큼은 자유로웠다. 그는 1974년 일반상대성이론에 양자역학을 접목시킨 ‘호킹 복사’ 이론을 발표했다. 이 연구는 이론물리학계에서 호킹을 일약 스타로 만들었다.

블랙홀의 가장 중요한 성질은 ‘블랙홀에 한번 들어간 물질은 절대 나올 수 없다’는 것이었다. 하지만 호킹은 블랙홀의 주변에서 양자적인 현상이 일어난다면, 블랙홀 밖으로 입자, 즉 빛이 방출될 수 있다고 주장했다. 이 현상을 ‘호킹 복사’라고 한다. 이전에는 블랙홀은 계속 물질을 빨아 들이기만 하기 때문에 질량이 점점 더 늘어난다고 알려져 왔지만, 호킹의 이론에 따르면 계속해서 입자가 방출될 수 있기 때문에 블랙홀은 필연적으로 점점 작아지게 되고, 언젠가는 모두 소멸될 운명을 가지고 있다. 때문에 이를 ‘블랙홀 증발이론’ 이라고 부르기도 한다.

이 이론은 학계에서 큰 주목을 받은 동시에 큰 논란을 가져오기도 했다. 호킹의 이론에 따르면 블랙홀에서 방출되는 입자는 정보를 가지고 있지 않아야 하는데, 양자역학에서는 물질의 고유한 정보는 반드시 보존돼야 하기 때문이다. 즉, 일반상대성이론을 기반으로 하는 블랙홀과 양자역학이 정면으로 충돌한다. 결국 이에 대해 호킹은 2004년과 2014년 두 번에 걸쳐 이론을 수정했다.

특이점 이전의 우주를 밝히다: 무경계 우주론

호킹은 호킹 복사 이론을 발표한 이후 일반상대성이론과 양자역학을 결합해 우주를 설명하기 위해 노력했다. 특히 우주의 기원과 관련해 어떤 물리법칙도 적용되지 않는 특이점의 문제를 피하기 위해 1983년 제임스 하틀 미국 산타바바라 캘리포니아대(UC산타바바라) 교수와 함께 우주에는 시작이나 끝을 나타내는 시간적 경계가 없고 또 공간적 부피는 있지만 경계가 없다’는 ‘무경계 우주’를 제안했다. 즉, 우주가 마치 지구 표면처럼 면적은 있지만 경계선은 없다는 것이다.

호킹은 이런 업적으로 32세의 나이로 최연소 영국왕립학회 회원이 됐다. 1979년에는 케임브리지대 최고명예인 루카스 석좌교수에 임명됐다. 호킹 이전에 루카스 석좌교수를 지낸 인물은 아이작 뉴턴, 폴 디랙 등이다.

시간의 역사

호킹을 이야기할 때 그의 저서를 빼놓을 수 없다. 가장 잘 알려진 책은 1988년에 발간돼 약 30년간 과학분야 베스트셀러 자리를 놓지 않은 ‘시간의 역사’일 것이다. 그는 1982년부터 줄곧 대중이 읽을 수 있는 책을 만들자는 목표를 가지고 있었다(그는 자서전을 통해 딸의 학비를 위해서라고 밝히기도 했다).

그는 이 책에 지금까지 연구해 온 내용과 우주론에 대한 전반적인 이야기를 담았다. 대중이 쉽게 읽을 수 있도록 친숙한 이미지와 비유들을 최대한 많이 활용했고, 할 수 있는 한 수학 방정식을 배제했다. 그의 노력으로 시간의 역사는 40여 개의 언어로 번역돼 전 세계적으로 1000만 부 이상이 팔렸다.

그는 76세의 나이로 세상을 뜨기 전까지 연구 활동을 멈추지 않았다. 휠체어에 몸을 싣고 나중에는 기관지까지 잘라내 컴퓨터 음성합성기를 이용해야만 말을 할 수 있을 만큼 상태가 악화됐지만, 그 누구보다 열정적으로 우주의 비밀을 밝히기 위해 노력했다. 그가 자신의 자서전에 남긴 마지막 말은 세상을 떠난 지금, 우리에게 큰 울림을 준다.

 
편집자주

한국 최고의 경영전문지 동아비즈니스리뷰(DBR)와 최고의 과학 전문지 과학동아가 새로운 컬레버레이션 기획을 시작합니다. 과학동아의 프리미엄 콘텐츠 중 경영자에게 통찰을 주는 내용을 엄선해 DBR 독자들에게 소개합니다. 최신 과학기술 이슈들은 4차 산업혁명의 융복합 시대를 이끌어가야 할 경영자들이 미래를 설계하는 데 큰 도움을 줍니다. 첫 번째 기획의 주제는 지난 3월 타계한 천재 물리학자 스티븐 호킹입니다. 평생 우주의 비밀을 밝히기 위해 노력한 호킹 박사의 삶은 우주와 자연, 인간에 대한 사유의 지평을 넓혀줍니다. 



동아비즈니스리뷰 318호 Dynamic Workspaces 2021년 04월 Issue 1 목차보기