2026-06-26 온라인뉴스팀

배이진·장근영·안건우 군, 고교 재학 시절 아인슈타인 장방정식 내 ‘임의의 제약조건’ 제거한 독창적 정식화 성공… 부피 대신 엔트로피 변화(dS) 도입해 복잡한 다중 지평선 블랙홀 구조 규명, 지도교사 권용준 박사와 함께 이론물리학계 오랜 난제 해결하며 의대 열풍 속 기초과학 연구자의 길 선택

[익스퍼트인사이트 온라인뉴스팀] 국내 영재학교 출신의 젊은 인재들이 고등학교 재학 시절 수행한 독창적인 연구를 통해 이론물리학계의 오래된 난제를 해결하고, 세계적 권위의 SCI 국제 학술지에 논문을 게재하는 쾌거를 이루어냈다. 주인님께서 공유해주신 이미지 “스크린샷 2026-06-26 101118.jpg”에 수록된 요약 자료에 따르면, 올해 2월 서울과학고등학교를 졸업한 배이진(18), 장근영(19), 안건우(19) 씨는 고교 3학년 재학 당시 집필한 블랙홀 이론 관련 연구 논문이 엄격한 동료 심사(Peer Review)를 통과하여 물리학 및 우주론 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘인터내셔널 저널 오브 모던 피직스 D(International Journal of Modern Physics D, IJMPD)’에 게재 승인 및 출판되는 영예를 안았다. 이 연구는 고등학생들의 학술적 역량이 세계 최고 수준의 이론물리학 연구 흐름과 궤를 같이할 수 있음을 보여주는 게재 사례로 학계의 비상한 관심을 모으고 있다.

학생들이 규명해낸 핵심 성과는 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자역학, 열역학이 교차하는 최전선 연구 분야인 ‘블랙홀 열역학(Black Hole Thermodynamics)’에 관한 것이다. 이들이 발표한 논문의 제목은 『장방정식에서 도출한 제약 조건 없는 블랙홀 열역학 정식화(A constraint-free formulation of black hole thermodynamics from the field equations)』로, 기존의 이론적 패러다임이 안고 있던 치명적인 한계이자 인위적인 가정을 과감하게 깨뜨린 것이 특징이다. 블랙홀 열역학 제1법칙은 기본적으로 $dM = TdS + \Omega dJ + \Phi dQ$라는 수학적 형태를 띤다. 이는 블랙홀의 총질량 변화($dM$)가 표면 온도($T$)와 엔트로피 변화($dS$), 회전 에너지 항인 각운동량 변화($\Omega dJ$), 그리고 전하 변화 항($\Phi dQ$)의 합으로 완벽하게 설명될 수 있음을 뜻한다. 여기서 $M$은 질량, $S$는 엔트로피, $J$는 각운동량, $Q$는 전하를 의미하는 핵심 물리량들이다.

이 연구의 학술적 배경은 과거 인도의 세계적인 이론물리학자 고(故) 타누 파드마나반(Thanu Padmanabhan) 교수가 제시했던 혁신적인 아이디어로부터 출발한다. 파드마나반 교수는 블랙홀의 안과 밖을 가르는 경계인 ‘사건의 지평선(Event Horizon)’에서 아인슈타인의 중력장 방정식을 수학적으로 평가하면, 이 방정식이 놀랍게도 물리적인 운동방정식의 형태를 넘어 열역학 제1법칙과 동일하게 읽힌다는 사실을 입증한 바 있다. 중력이라는 거시적 시공간의 기하학적 구조가 미시적인 열역학적 법칙과 본질적으로 연결되어 있다는 이 관점은 물리학계에 커다란 충격을 안겼으며, 현대 이론물리학의 중요한 전통으로 자리 잡았다.

그러나 기존의 파드마나반 방식과 이를 확장한 후속 연구들은 완벽한 구대칭 형태의 단순한 블랙홀(슈바르츠칠트 블랙홀)을 넘어선 실제 우주의 복잡한 블랙홀을 설명하는 데 있어 중대한 이론적 걸림돌에 직면해 있었다. 회전하는 블랙홀(커 블랙홀)이나 전하를 띤 회전 블랙홀(커-뉴먼 블랙홀)처럼 내부에 바깥쪽 지평선과 안쪽 지평선이 동시에 존재하는 ‘다중 지평선(Multi-horizon)’ 구조에서는, 블랙홀의 질량이나 각운동량, 전하 등의 매개변수가 일반적인 물리 법칙에 따라 임의로 변화할 때 두 지평선이 시공간 내에서 동시에 움직이게 된다.

기존 연구자들은 장방정식으로부터 열역학 제1법칙을 유도해내는 계산 과정을 성립시키기 위해, 두 지평선의 상호작용 사이에 인위적이고 정교한 수학적 제약조건을 부여해 왔다. 즉, 사실상 바깥쪽 지평선만이 독립적으로 움직이는 것처럼 시공간을 왜곡하여 취급하는 일종의 ‘임의의 제약(Arbitrary Constraint)’에 의존했던 것이다. 서울과학고의 세 학생은 기존 학계가 당연하게 받아들이던 이 제약조건이 블랙홀의 일반적인 물리적 변화를 온전히 반영하지 못하는 불필요한 가정이라는 점을 날카롭게 간파했다.

논문의 저자들은 기존 방식이 지닌 문제점의 근원이 장방정식을 열역학식으로 전환하는 과정에서 곱해주는 변수에 있다는 점을 논리적으로 밝혀냈다. 기존 파드마나반 방식은 장방정식의 지평선 성분에 지평선의 부피 변화량인 $dV$를 곱하여 압력과 부피의 관계를 나타내는 $PdV$ 형태의 열역학적 항을 도출하려고 시도했다. 하지만 배이진, 장근영, 안건우 군은 대칭성이 깨진 회전 블랙홀이나 커-뉴먼 블랙홀의 경우, 부피 변화량 $dV$가 시공간의 면적 변화량($dA$)이나 엔트로피 변화량($dS$)과 일반적으로 비례 관계를 형성하지 않는다는 기하학적 불일치를 정밀하게 지적해 냈다. 이 때문에 기존 방식대로 $dV$를 곱하게 되면 열역학의 가장 핵심적인 항인 ‘온도와 엔트로피의 곱($TdS$)’이 수학적으로 자연스럽게 도출되지 못했고, 결국 학계는 이를 강제로 맞추기 위해 인위적인 제약조건을 걸 수밖에 없었던 것이다.

이에 대한 대안으로 서울과학고 연구팀이 제시한 솔루션은 놀라울 정도로 명쾌하고 본질적이다. 이들은 지평선 장방정식에 부피 변화량($dV$) 대신 ‘엔트로피 변화량($dS$)’을 직접 곱하는 완전히 새로운 수학적 정식화를 제안했다. 블랙홀 열역학의 물리적 본질을 관통하는 가장 근본적인 상태 함수는 부피가 아니라 시공간의 정보를 담고 있는 엔트로피라는 물리 직관에 기반한 선택이었다. 이처럼 제약조건이 없는 자유로운 상태 공간(M, J, Q) 내에서 연산을 전개한 결과, 연구팀은 어떠한 인위적인 가정이나 추가적인 제약 없이도 아인슈타인의 장방정식 외곽 지평선 평가를 통해 블랙홀 열역학 제1법칙을 완벽하게 유도해내는 데 성공했다. 더 나아가 이들의 방법론은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 넘어 고차 곡률 중력 이론(Higher-order gravity)이나 양정 교정이 포함된 양자 중력 이론의 영역에서도 변함없이 유효하게 작동한다는 점까지 확장 증명해 냈다.

이번 연구의 교신저자이자 학생들을 전방위로 지도한 서울과학고의 물리 교사 권용준 박사의 헌신적인 교육 철학과 영재학교 특유의 연구 중심 교육과정(R&E, Research & Education) 시스템도 큰 주목을 받고 있다. 서울과학고는 박사급 교사진을 주축으로 학생들이 고등학교 단계에서 접하기 힘든 대학원 수준의 이론물리학이나 고등수학 강의를 ‘창의융합특강’ 형태로 개설하여 학생들의 지적 호기심을 전폭적으로 지원해 왔다. 배이진 씨는 언론 인터뷰를 통해 “학교에서 개설된 고등 강의를 수강하며 연구의 단단한 뼈대가 되는 일반 상대성 이론의 기하학적 구조를 깊이 있게 이해할 수 있었고, 이것이 난제 해결의 중요한 밑거름이 되었다”고 감회를 밝혔다. 연구를 주도한 세 학생 중 두 명은 현재 서울대학교 물리천문학부와 전자공학부에 각각 진학하여 학업과 연구를 이어가고 있다.

최근 국내 교육계와 이공계 전반이 우수한 인재들의 극단적인 의대 쏠림 현상으로 인해 기초과학 붕괴 위기를 겪고 있는 상황 속에서, 이들이 보여준 행보는 사회적으로도 매우 강렬한 메시지를 던진다. 주변에서 의대 진학을 권유하는 수많은 목소리가 있었음에도 불구하고, 저자 중 한 명인 배이진 씨는 “주변에서 의대 이야기를 하긴 했지만, 저는 의대에 갈 생각이 없다”고 단호하게 선을 그으며, “기초과학과 공학 분야를 깊이 있게 공부하는 연구자가 되겠다”는 당찬 포부를 밝혔다. 전 세계가 주목하는 학술적 성과를 고등학생 시절에 이미 증명해 낸 이들이 의학 계열이 아닌 순수 기초과학과 공학의 길을 선택했다는 사실은, 대한민국 기초과학의 미래를 밝히는 희망적인 신호탄으로 받아들여지고 있다. 학계 관계자들은 이번에 발표된 제약 없는 블랙홀 열역학 정식화가 향후 거시 세계의 중력과 미시 세계의 양자역학을 대통합하는 ‘양자 중력 이론’ 및 시공간의 본질을 규명하는 후속 연구들에 있어 새로운 관점을 제시하는 중요한 이정표가 될 것이라며 극찬을 아끼지 않고 있다.