시공간을 접어 우주의 반대편으로 갈 수 있을까
우주에는 아주 이상한 가능성이 하나 있다.
우리가 지금 있는 곳에서
수백만 광년,
수십억 광년 떨어진 곳까지
굳이 그 거리를 모두 지나가지 않고
한순간에 이동할 수 있는 방법이다.
상상 속의 순간이동처럼 들린다.
하지만 이 아이디어는 단순한 공상에서 시작된 것이 아니다.
아인슈타인의 일반상대성이론이 등장한 이후,
물리학자들은 중력이 시공간을 휘게 만든다는 사실을 바탕으로
아주 특이한 구조를 연구하기 시작했다.
그리고 그 과정에서 등장한 것이
바로 웜홀(Wormhole)이다.
웜홀은
우주 공간에 뚫린 구멍이라기보다,
서로 멀리 떨어진 두 지점을 시공간의 지름길로 연결하는 가상의 구조라고 이해하는 편이 정확하다.
만약 실제로 존재하고,
안정적으로 유지할 수 있다면
우주여행의 개념 자체가 완전히 바뀔 수 있다.
수백만 년이 걸릴 여행이
몇 초 또는 몇 시간으로 줄어들 수도 있기 때문이다.
그렇다면 웜홀은 정말 존재할까?
그리고 인간은 언젠가 웜홀을 통과할 수 있을까?
오늘은 우주에서 가장 기묘한 가설 가운데 하나를 따라
시공간 자체를 여행해 보자.
우주는 단순한 공간이 아니다
웜홀을 이해하려면
먼저 우리가 살아가는 공간에 대한 생각부터 바꿔야 한다.
우리는 보통 공간을
가로,
세로,
높이로 생각한다.
책상도 그렇고,
방도 그렇고,
지구도 그렇다.
하지만 아인슈타인의 상대성이론에서는
시간도 공간과 분리된 독립적인 것이 아니다.
공간과 시간이 하나로 연결된
시공간이라는 구조를 이룬다.
그리고 가장 중요한 사실이 있다.
질량과 에너지는 시공간을 휘게 만든다.
고무판 위의 공
이 개념을 이해하기 위해
흔히 고무판을 떠올린다.
팽팽하게 당겨진 고무판 위에
무거운 공 하나를 올려놓는다.
고무판이 아래로 휘어진다.
그 주변에 작은 공을 굴리면
작은 공의 움직임도 달라진다.
일반상대성이론에서
중력이 작동하는 방식도 이와 비슷하게 생각할 수 있다.
태양은 주변 시공간을 휘게 만든다.
지구는 그 휘어진 시공간 속에서 움직인다.
즉,
지구가 태양의 중력에 끌려다니는 것만이 아니라,
태양이 주변 시공간의 구조를 바꾸고
지구가 그 구조를 따라 움직인다고 볼 수 있다.
그렇다면 시공간을 접는다면?
종이 한 장을 생각해 보자.
종이의 왼쪽 끝에 점 하나를 찍고,
오른쪽 끝에도 점 하나를 찍는다.
두 점 사이를 이동하려면
종이 위를 쭉 지나가야 한다.
하지만 종이를 접어
두 점을 서로 맞닿게 만들면 어떨까?
두 점 사이의 거리가 갑자기 매우 짧아진다.
웜홀은 이와 비슷한 개념으로 설명할 수 있다.
우주의 서로 먼 두 지점이
시공간의 구조를 통해 연결되어 있다면,
그 사이를 직접 여행하지 않고
더 짧은 경로를 이용할 수 있다는 것이다.
물론 실제 우주는 종이처럼 접을 수 있는 단순한 2차원 구조가 아니다.
이 비유는 개념을 이해하기 위한 그림일 뿐이다.
하지만 웜홀의 핵심 아이디어를 설명하기에는 꽤 좋은 비유다.
웜홀이라는 이름은 어디에서 왔을까
웜홀이라는 표현은
말 그대로 해석하면
"벌레 구멍"이다.
사과를 생각해 보자.
사과 표면을 따라 이동하면
한쪽에서 다른 쪽까지 꽤 먼 거리를 가야 한다.
그런데 벌레가 사과 내부를 통과하는 작은 터널을 파면
훨씬 짧은 거리로 반대편에 도착할 수 있다.
이런 모습과 비슷한 개념이라
웜홀이라는 이름이 붙었다.
실제 웜홀이 벌레가 파 놓은 구멍처럼 생겼다는 뜻은 아니다.
시공간에 존재할 수 있는
가상의 연결 통로를 비유적으로 표현한 것이다.
웜홀은 누가 처음 발견했을까
1935년.
아인슈타인과 물리학자 네이선 로젠은
일반상대성이론의 방정식을 연구하다가
특이한 수학적 구조를 발견했다.
오늘날 흔히
아인슈타인-로젠 다리(Einstein-Rosen Bridge)라고 부르는 구조다.
이론적으로
시공간의 서로 다른 영역이
하나의 연결 구조를 통해 이어질 수 있다는 가능성이 나타난 것이다.
훗날 이런 구조를
웜홀이라는 개념으로 확장해 연구하게 되었다.
하지만 여기에는 큰 문제가 있었다.
웜홀을 발견했다고 해서
그곳을 통과할 수 있는 것은 아니었다.
웜홀은 쉽게 무너질 수 있다
가장 큰 문제다.
일반상대성이론의 특정 해에서
웜홀 같은 구조가 나타날 수 있지만,
그것이 인간이 통과할 수 있을 정도로
안정적인 통로라는 뜻은 아니다.
오히려 많은 경우
웜홀은 너무 불안정해서
순식간에 닫혀 버릴 수 있다.
입구가 만들어지더라도
빛이나 물질이 통과하기 전에
사라질 수 있다는 것이다.
우주의 지름길을 발견했는데
문을 열자마자 닫혀 버리는 셈이다.
그래서 필요한 것이 '이상한 물질'이다
1980년대 이후
물리학자들은 한 가지 가능성을 연구하기 시작했다.
웜홀을 안정적으로 유지하려면
일반적인 물질과 다른 특성을 가진 물질이 필요할 수 있다는 것이다.
이를 흔히
음의 에너지 밀도 또는
이상한 물질(Exotic Matter)과 관련해 설명한다.
중요한 점은
이것이 우리가 흔히 말하는
'음의 질량 물질'과 완전히 같은 개념은 아니라는 것이다.
양자물리학에서는
특정 조건에서
진공의 에너지가 기준보다 낮아지는 현상 등이 이론적으로 나타날 수 있다.
대표적으로 카시미르 효과가 있다.
하지만 이것이
사람이 통과할 수 있는 거대한 웜홀을 만들 수 있다는 뜻은 아니다.
현재까지 그런 기술은 존재하지 않는다.
블랙홀과 웜홀은 관련이 있을까
여기에서 많은 사람들이 궁금해한다.
"웜홀은 블랙홀과 같은 것 아닐까?"
둘은 관련된 수학적 개념을 공유할 수 있지만,
같은 것은 아니다.
블랙홀은
사건의 지평선이라는 경계를 가진다.
그 안으로 들어간 물질과 빛은
외부로 빠져나올 수 없다.
반면 통과 가능한 웜홀은
두 지역 사이를 연결하는 통로를 가정한다.
즉,
블랙홀은
들어가면 빠져나올 수 없는 구조이고,
통과 가능한 웜홀은 이론적으로
들어가서 다른 곳으로 나올 수 있는 구조다.
다만 일부 이론에서는
블랙홀과 웜홀이 특정 조건에서 연결될 가능성을 연구하기도 한다.
블랙홀 안으로 들어가면 다른 우주가 나올까
영화에서는 종종 이런 장면이 등장한다.
우주선이 블랙홀 안으로 들어간다.
그리고 반대편에서
전혀 다른 우주로 나온다.
매우 매력적인 이야기다.
하지만 현재 과학이 알고 있는 범위에서는
그렇게 단순하게 말할 수 없다.
블랙홀 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나는지는
아직 완전히 이해되지 않았다.
특히 중심부의 특이점에서는
현재의 일반상대성이론만으로는 충분한 설명을 할 수 없다.
양자중력 이론이 필요할 가능성이 높다.
따라서
"블랙홀 반대편에 다른 우주가 있다"는 주장은
현재로서는 검증되지 않은 가설이다.
웜홀을 통과하면 얼마나 빨리 갈 수 있을까
이론적으로
웜홀은 엄청난 거리를 단축할 수 있다.
예를 들어
지구와 수천 광년 떨어진 행성이 있다고 생각해 보자.
빛의 속도로 직접 이동한다면
수천 년이 걸린다.
하지만 두 지역이 웜홀로 연결되어 있다면
시공간 내부의 지름길을 이용해
훨씬 짧은 시간에 도착할 수 있다는 개념이다.
중요한 것은
우주선이 빛보다 빠르게 움직이는 것이 아니라는 점이다.
우주선 자체는
자신 주변의 국소적인 공간에서
빛보다 빠르게 움직이지 않는다.
대신
이동해야 하는 경로 자체를 짧게 만드는 것이다.
그렇다면 시간여행도 가능할까
여기서 이야기는 훨씬 더 흥미로워진다.
일반상대성이론에서는
시간이 절대적인 것이 아니다.
속도가 빨라지거나
중력이 강해지면
시간의 흐름도 달라진다.
웜홀의 두 입구 중 하나를
빛에 가까운 속도로 이동시키거나
강한 중력장 근처에 오래 두었다가
다시 가져온다고 생각해 보자.
두 입구 사이의 시간이
서로 다르게 흘렀을 가능성이 있다.
그 상태에서 웜홀을 이용하면
한 입구로 들어가
다른 입구에서
상대적으로 더 과거 또는 미래의 시간에 도착하는 구조가 이론적으로 논의될 수 있다.
즉,
웜홀이 단순한 공간 이동뿐 아니라
시간 이동 장치가 될 가능성도 이론적으로 제기된다.
할아버지 역설
하지만 시간여행에는
유명한 문제가 따라온다.
바로 할아버지 역설이다.
과거로 돌아가
자신이 태어나기 전에 할아버지를 죽였다고 생각해 보자.
그렇다면 부모도 태어나지 않는다.
그러면 나도 태어나지 않는다.
그런데 내가 태어나지 않았다면
과거로 돌아가 할아버지를 죽일 수도 없다.
그렇다면 어떻게 되는가?
논리적 모순이 발생한다.
물리학자들은
이 문제를 해결하기 위한 다양한 이론을 제시했다.
하지만 아직
실제로 과거로 돌아가는 방법은 발견되지 않았다.
자연이 시간여행을 막고 있을 수도 있다
유명한 물리학자 스티븐 호킹은
시간여행이 실제로 가능하지 않을 것이라는 생각과 관련해
연대기 보호 가설(Chronology Protection Conjecture)을 제안했다.
간단히 말하면
자연의 법칙 자체가
과거로 돌아가는 상황을 막을지도 모른다는 것이다.
웜홀이 시간여행 장치가 되려고 하는 순간
양자효과가 너무 강해져
웜홀이 불안정해질 가능성도 연구되어 왔다.
즉,
우주가 스스로
"여기까지는 안 된다."
라고 선을 긋고 있을지도 모른다.
하지만 이것 역시 아직 완전히 증명된 것은 아니다.
웜홀은 실제로 발견된 적이 없다
가장 중요한 사실이다.
현재까지
인류는 실제 웜홀을 발견하지 못했다.
관측으로 확인된 적도 없다.
실험실에서 만들어진 적도 없다.
우주망원경으로 직접 본 적도 없다.
따라서 현재 웜홀은
수학적으로 가능한 시공간 구조에 대한 이론적 연구 대상이라고 보는 것이 정확하다.
영화에서처럼
우주선이 웜홀에 들어가는 모습은
현재 과학 기술로는 실현할 수 없다.
그런데 왜 과학자들은 계속 연구할까
존재가 확인되지 않았는데
왜 계속 연구할까?
이유는 간단하다.
웜홀을 연구하면
중력과 시공간이 어떻게 작동하는지 더 깊이 이해할 수 있기 때문이다.
특히
일반상대성이론과 양자역학을 하나로 연결하려는 연구에서
웜홀은 중요한 사고실험의 대상이 된다.
블랙홀의 정보 문제,
양자 얽힘,
시공간의 구조,
양자중력 등
현대 물리학의 가장 어려운 문제들이
서로 연결되어 있기 때문이다.
양자 얽힘과 웜홀
특히 흥미로운 아이디어가 있다.
바로
ER = EPR이라는 가설이다.
ER은
Einstein-Rosen bridge,
즉 아인슈타인-로젠 다리를 의미한다.
EPR은
Einstein-Podolsky-Rosen이 제시한
양자 얽힘을 의미한다.
이 가설은 아주 거칠게 말하면
양자 얽힘과 웜홀 사이에 깊은 연결이 있을 수 있다는 아이디어다.
두 입자가 멀리 떨어져 있어도
양자적으로 연결될 수 있는 현상과
시공간의 연결 구조가
어쩌면 같은 물리적 원리의 다른 모습일 수 있다는 것이다.
아직 증명된 사실은 아니다.
하지만 현대 이론물리학에서 매우 흥미롭게 연구되고 있다.
웜홀은 다른 우주로 연결될 수도 있을까
여기서부터는 더욱 과감한 가설이 등장한다.
일부 이론에서는
웜홀이 같은 우주의 먼 지역을 연결하는 것이 아니라
서로 다른 시공간 영역,
심지어 다른 우주를 연결할 가능성까지 생각한다.
이른바 다중우주와 연결되는 이야기다.
하지만 여기서는 반드시 구분해야 한다.
다중우주도,
다른 우주로 연결되는 웜홀도
현재 관측으로 확인된 사실이 아니다.
수학적 모델과 이론적 가능성의 영역이다.
과학에서는
"방정식으로 가능하다"와
"실제로 존재한다" 사이에
엄청난 차이가 있다.
우주여행의 미래는 어떻게 될까
현재 인류의 우주선은
화학 로켓에 의존한다.
지구 중력을 벗어나고,
다른 행성으로 이동하는 데
엄청난 시간이 필요하다.
화성까지도
대략 수개월이 걸린다.
다른 별로 가는 것은
현재 기술로 사실상 불가능하다.
가장 가까운 항성계조차
수만 년의 여행 시간이 필요할 수 있다.
하지만 미래의 문명이
새로운 추진 기술을 개발한다면
상황은 달라질 수 있다.
핵융합 추진,
반물질 추진,
광돛,
혹은 아직 발견하지 못한 새로운 물리학.
그리고 만약 웜홀을 안정적으로 제어할 수 있다면
우주여행의 개념 자체가 완전히 달라진다.
하지만 가장 큰 문제는 에너지다
웜홀을 만든다고 가정해 보자.
그다음 문제는
웜홀을 유지하는 것이다.
엄청난 에너지가 필요할 가능성이 있다.
그리고 음의 에너지와 같은
특이한 물리적 조건이 필요할 수도 있다.
현재 인류는
그런 거대한 구조를 만들거나 제어할 기술이 없다.
어쩌면 문명이 수천 년,
수만 년 발전해도 불가능할 수 있다.
혹은
전혀 새로운 물리학이 발견되면서
가능해질 수도 있다.
우리는 아직 모른다.
웜홀이 발견된다면 가장 먼저 무엇을 해야 할까
만약 어느 날
천문학자들이 우주에서
웜홀로 의심되는 구조를 발견한다면
가장 먼저 해야 할 일은
그 안으로 들어가는 것이 아니다.
관측이다.
웜홀이 실제로 존재하는지 확인해야 한다.
그 주변에서 빛이 어떻게 휘어지는지,
별의 움직임이 어떻게 변하는지,
중력파가 어떻게 나타나는지,
일반적인 블랙홀로는 설명할 수 없는 현상이 있는지
수많은 데이터를 확인해야 한다.
과학에서
놀라운 발견일수록
더 강력한 검증이 필요하다.
어쩌면 우주는 이미 지름길을 보여주고 있을지도 모른다
우리는 우주를
거대한 빈 공간이라고 생각한다.
하지만 실제로 우주는
중력에 의해 휘어지고,
팽창하고,
복잡하게 구조화되어 있다.
빛조차 직선으로만 움직이지 않는다.
거대한 은하단의 중력은
뒤에 있는 은하의 빛을 휘게 만든다.
이를 중력렌즈라고 한다.
우주는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 유연한 구조를 가지고 있다.
그렇다면
아직 발견하지 못한 더 기묘한 시공간 구조가 존재할 가능성을 완전히 배제할 수 있을까?
아직은 아무도 모른다.
웜홀은 꿈일까, 미래의 기술일까
현재 시점에서 가장 정직한 대답은 이것이다.
웜홀이 존재한다는 증거는 없다.
인간이 통과 가능한 웜홀을 만들 방법도 없다.
시간여행이 가능하다는 실험적 증거도 없다.
그렇다고 해서
웜홀이라는 개념이 완전히 무의미한 것도 아니다.
웜홀은
우리가 중력과 시공간을 얼마나 이해하고 있는지,
그리고 얼마나 이해하지 못하고 있는지를 동시에 보여준다.
100년 전만 해도
시간이 사람마다 다르게 흐를 수 있다는 생각조차
일반적인 상식과는 거리가 멀었다.
하지만 상대성이론은
그것이 자연의 실제 성질임을 보여주었다.
그렇다면 앞으로
우리가 지금 불가능하다고 생각하는 것 가운데
얼마나 많은 것이 새로운 물리학을 통해 바뀌게 될까?
아무도 알 수 없다.
우주에서 가장 짧은 길
어쩌면 웜홀의 가장 중요한 의미는
우주여행 그 자체가 아닐지도 모른다.
웜홀은 우리에게
하나의 질문을 던진다.
"우리가 거리를 어떻게 정의하고 있는가?"
우리는
지구에서 화성까지,
태양에서 가장 가까운 별까지,
은하에서 다른 은하까지의 거리를
단순한 숫자로 생각한다.
하지만 우주에서
거리는 고정된 배경이 아니다.
시공간은 휘어진다.
팽창한다.
그리고 이론적으로는
서로 멀리 떨어진 영역이
특이한 방식으로 연결될 수도 있다.
우리가 '먼 곳'이라고 생각하는 것이
시공간의 다른 관점에서는
그렇게 멀지 않을 수도 있다는 것이다.
아직 열리지 않은 문
웜홀은 아직 발견되지 않았다.
우리가 그 안으로 들어가 본 적도 없다.
그것이 실제로 존재하는지조차 모른다.
하지만 웜홀이라는 개념이 우리에게 주는 상상은
분명하다.
우주가 우리가 알고 있는 것보다
훨씬 기묘할 수 있다는 것.
그리고 인간이 아직
자연의 모든 법칙을 이해하지 못했다는 것이다.
어쩌면 웜홀은
실제로 존재하지 않을 수도 있다.
어쩌면 우주의 어딘가에
아주 오래전부터 존재하고 있을지도 모른다.
혹은
미래의 인류가 직접 만들어야만 하는 구조일지도 모른다.
아직은 아무것도 확실하지 않다.
하지만 한 가지는 확실하다.
우리가 우주를 이해할수록
우주는 점점 더 이상한 모습을 보여주고 있다.
그리고 언젠가
인류가 정말로 시공간의 문을 발견하는 날이 온다면,
그날의 질문은
"웜홀이 존재하는가?"
에서 끝나지 않을 것이다.
그다음 질문이 시작될 것이다.
"그 문을 열고 들어가면 어디에 도착하는가?"
그리고 어쩌면
그 질문에 대한 답이
인류가 우주를 바라보는 방식을 영원히 바꿔 놓을 것이다.