대학·외부기관 조력 없이 교내 연구로 논문 완성

중력장 방정식서 열역학 제1법칙 도출…"고교 연구 역량 입증"

고등학생들이 교내 연구 활동을 통해 물리학 분야 SCI 국제학술지에 논문을 게재했다. 대학이나 외부 연구기관의 연구실이 아닌 학교 교육과정과 교사 지도를 바탕으로 이룬 성과라는 점에서 주목된다.

서울시교육청은 서울과학고등학교 학생들과 권용준 물리교사가 공동으로 수행한 연구 논문이 SCI 국제학술지 '인터내셔널 저널 오브 모던 피직스 디(International Journal of Modern Physics D)'에 게재 확정됐다고 23일 밝혔다.

논문 제목은 '장방정식에서 도출한 제약 조건 없는 블랙홀 열역학 정식화(A Constraint-Free Formulation of Black Hole Thermodynamics from the Field Equations)'다. 공동저자는 배이진, 안건우, 장근영 학생이며, 교신저자는 권용준 교사다. 학생들은 2026년 2월 서울과학고를 졸업했다.

이번 연구는 블랙홀 열역학과 중력장 방정식의 관계를 다뤘다. 블랙홀이 열역학 제1법칙을 따른다는 사실을 중력장 방정식에서 직접 유도하려는 시도는 물리학계의 연구 과제 중 하나였다.

기존 연구는 주로 외부 사건지평선의 부피 변화에 초점을 맞췄다. 이 방식은 구대칭 블랙홀에는 적용할 수 있지만, 내부와 외부 지평선이 함께 존재하는 회전 블랙홀이나 전하를 띤 블랙홀처럼 질량·각운동량·전하가 동시에 변하는 경우에는 한계가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 부피 대신 '엔트로피 변화'를 장방정식에 도입했다. 엔트로피가 내부와 외부 지평선 정보를 모두 포함한다는 점을 활용해 열역학적 상태공간 전체의 변화를 다뤘고, 구대칭이 없는 일반적 블랙홀이나 고차 중력 이론에서도 추가 제약 조건 없이 열역학 제1법칙이 도출될 수 있음을 보였다.

이번 연구는 블랙홀 열역학 제1법칙이 특정한 형태의 블랙홀에 국한되지 않고 더 일반적인 조건에서도 중력장 방정식으로부터 도출될 수 있음을 보였다는 점에서 의미가 있다. 연구진은 이 결과가 중력과 열역학의 관계를 설명하는 이론적 근거를 넓히고, 중력을 열역학적 현상으로 해석하는 창발 중력 이론 논의에도 활용될 수 있다고 설명했다.

서울과학고는 이번 연구가 교내 정규교육과정과 연구활동을 통해 진행됐다고 설명했다. 학생들은 R&E(Research & Education), 졸업논문, 창의융합특강 수업 등을 거치며 연구 주제를 발전시켰고, 교내 박사급 교원의 지도를 받아 논문을 완성했다.

논문 심사 과정에서 심사위원들은 "정교하고 수준 높은 연구가 서울과학고 학생들에 의해 수행됐다는 점이 인상적"이라며 학생들의 역량과 지도를 평가했다고 학교 측은 전했다.

권용준 교사는 "학생들의 지적 호기심과 연구 활동 지원이 결실로 이어졌다"며 "학생들을 지도하며 스승과 제자가 함께 성장하는 보람을 느꼈다"고 말했다.

연구에 참여한 배이진, 장근영 학생은 "블랙홀 열역학 분야에서 기존 연구의 한계를 살피고 새로운 해석을 더해가는 과정이 도전적이었다"며 "연구 전 과정을 직접 경험하며 값진 배움을 얻었다"고 밝혔다.

김태일 서울과학고 교장은 "이번 성과는 학생들이 교내 교사들과 협력해 연구에 몰두한 결과"라며 "앞으로도 학생들이 지적 호기심을 확장하고 연구 역량을 키울 수 있도록 지원하겠다"고 말했다.