시간여행은 우리가 꿈꾸기도 하고 많은 영화의 단골 소재이기도 하다. 이러한 시간여행이 이론적으로 가능한지 알아보자.
사실 힘이 빠지는 이야기일수도 이지만, 우리는 모두 시간여행을 하고 있다. 1초당 1초로 같은 속도로 시간여행을 하고 있다. 그러나 우리가 말하는 시간여행은 1초보다 더 빨리가는 시간여행을 생각하고 있을것이다.
시간여행을 하기 위해서는 타임머신이 필요한데 타임머신에 대한 아이디어는 H. G. 웰스의 ' Tme Machine '(1895) 에서 언급되었다.
시간여행이 상상에서 과학적 이론으로 제시된 건 20세기 아인슈타인의 일반 상대성 이론(1905년)이 나오면서 논란이 되기 시작했다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 시간의 흐름은 당사자가 얼마나 빨리 움직이느냐에 달려 있어 매우 빠르게 달리면 1초가 점점 늘어나 시간 여행을 할 수 있게 된다. 또한 일반 상대성 이론에 따르면, 중력은 물체의 존재에 대한 시공간을 구부러지게 만들면서 시간에영향을 주기 때문에 매우 무거운 별 주변에 있다면 시간은 느리게 간다는 것이다.
상대성이론에 대한 자세한 내용은 Article 7, Article 19에 자세히 나와 있다.
Article 7. 달리는 기차에서 떨어진 공은 왜 뒤로 가지 않는 걸까?
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우리가 기차에서나 차에서 물건을 떨어 뜨리면 물건들은 기차 바닥에 떨어지고, 심지어 기차보다 더 빠른 비행기에서도 마찬가지이다.기차나 비행기가 빠른 속도로 달려가고 있는데 그 상태
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Article 19 (Part 1). 우리의 공간은 휘어져 있다.
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우리의 공간은 휘어져 있다면 이해가 되는 사람은 잘 없을 것이다. 하지만 우리는 익숙해서 인지를 못할뿐이지 휘어진 공간에서 살고 있다. 그 원인은 중력에 있다. 인공위성이 왜 떨어지지 않
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Article 19 (Part 2). 우리의 공간은 휘어져 있다.
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우리의 공간은 휘어져 있고, Part 1에서 중력과 가속도가 같고, 가속도는 공간에 의해서 달라진다는것을 알았다. 그러면 Part 2 에서 가속도와 중력은 어디서 나오는 것인지 알아 보도록 하자. Part
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그 전까지는 단순 상상이었지만 이론적으로 입증하기 위해 상대성이론은 획기적이었던 것이다. 과학계는 1980년대에 시간여행에 대해서 좀 더 이론적으로 접근하게 되었다. 1990년에 러시아 물리학자 이고르 노비코프와 미국의 물리학자 킵 손은 닫흰 시간과 곡선에 대한 연구 논문을 공동으로 발표했고, 스티븐 호킹도 가능성을 보일 정도로 타임머신은 과학적으로 상당히 매력적이지만 조금만 갚게 들어가면 과학적으로나 인문학적으로 직면한 문제들이 많이 있다.
타임머신으로 시간여행은 크게 두가지로 나눌수 있다. 과거로의 시간여행과 미래로의 시간여행이다. 시간여행이 된다면 과거이던지 미래이던지 둘다 되면 되고 안되면 안되는거 아니라고 생각할 수도 있다. 그러나 둘은 완전 다른 개념이 들어간다.
그러면 두개가 어떠한 차이가 있는지 알아보자
1. 미래로의 시간여행
2. 과거로의 시간여행
3. 웜홀
1. 미래로의 시간여행
미래로의 시간여행은 이론적으로 가능하다. 지금도 우리는 1초에 1초당 미래로의 시간여행을 하고 있다.하지만 우리가 이야기 하는것 1초보다 더 빠른 시간여행을 말하는 것이다.
특수 상대성 이론에 따르면 빠른 속도로 움직이는 물체는 시간이 천천히 흐르는 것으로 보이는 시간 팽창과, 빠른 속도로 움직이는 물체는 이동하는 방향축의 길이가 짤아지게 보이는 길이 수축현상이 나타난다.
아래의 시간 팽창 식에서 속도 v가 0이 아니라면, t 는 to 보다 항상 길어진다. 반면, 우리의 환경에서 물체의 속도 v 는 빛의 속도 c에 비해 아주 작기 때문에 t는 0에 가까워서 일상생활에서 시간 지연은 거의 없다.
쌍둥이의 역설
쌍둥이, 수영이와 소영이를 상상해 보자. 소영이는 탐험을 좋아해서 우주 여행하고 싶어하지만, 수영이는 모험심이 별로 없어서 지구에 머물기로 결심한다. 그래서 소영이 혼자 지구에서 약 16광년 떨어진 우주선을 타고 멀리 여행을 간다. 그런데, 소영이는 빛의 속도의 80%인 약 239,833,966m/s로 별까지 여행했다.
하지만 소영이가 우주를 여행하고 있는 동안 수영이와 소영이는 시간을 기록하였다. 그래서 둘 다 항상 매우 정확한 원자 시계를 가지고 다니기로 하였다.
먼저, 수영이는 지구에 머물면서 차도 타고 비행기를 타고 여행을 하였으나. 차와 비행기의 속도는 소영이의 우주선 속도에 비하면 아주 작다. 수영이에 따르면, 소영이가 먼 별까지 도착하는데 20년, 돌아오는데 20년 으로 왕복 40년이 걸린다는 것이다. 하지만 소영이는 이와는 조금 다르다. 소영이는 빛의 속도의 80%로 여행하고 있으면, 특수 상대성 이론의 법칙에 근거하여 우주선내에서 시간 to는 도착하는데 12년, 돌아오는데 12년해서 왕복 여행은 24년이 걸린다는 것이다.
소영이가 지구로 돌아와 자신의 시계를 지구에 있는 수영이의 시계와 비교했을 때, 소영이의 시계는 24년이 지났다는 것을 보여주고, 반면 수영이의 시계는 40년이 지났다는 것을 보여준다.
실제로 소영이는 16년을 미래로 시간 여행을 하게 되었다. 하지만 이런 형태의 시간 여행의 문제는 시작점으로 돌아갈 방법이 없다는 것이다. 미래로이 시간 여행만 가능하다.
결국 시간의 상대적이기 때문에 절대적인 기준은 존재하지 않는다. 지구에서도 각자 서로 다른 시간의 흐름에서 살고 있다. 다만, 모든 시간의 흐름은 동등하다. 우리가 느끼지 못할 뿐이지 미래로의 시간 여행은 계속 되고 있는 것이다. 좀 더 과장하면 우리 몸에서 팔만 움직인다면 움직이는 팔 부분만 미래로 시간여행을 하면서 다른 부분 보다 나이를 덜 먹는다고 볼수 있다.
그래서, 미래로 가고싶다면? 계속 움직이면 조금이라도 미래로 갈수 있다. 특히 지구 자전방향과 같은 방향으로 계속 뛰거나 달리면 지구 자전속도가 더해져서 시간이 아주 아주아주 조금은 느려지면서 100억분의 1초라도 미래로 갈수 있고, 그만큼 더 오래 살수 있다.
따라서 우리가 체감하지 못할 뿐이지 미래로의 시간여행은 지금도 하고 있다.
실제 GPS위성은 지구를 시속 14,000km로 빠르게 돌고 있어 GPS 위성의 시계는 수천만분의 1초만큼 느려지고 있다. 그러나, 일반상대성 이론에서 설명하였듯이 중력이 시공간을 휘게 함으로써 위성은 지구표면에서 2만km 상공에 있어 중력영향이 지상보다는 상대적으로 낮아 시간이 더 빨라진다. 결국 GPS 위성은 지상보다 조금 떠 빠른 속도로 시간이 가고 있다.
2. 과거로의 시간여행
흔히들 과학자들은 인문학적 관점에서 할아버지의 역설로 과거로의 시간여행은 불가능하다고 말하고 한다.
할아버지의 역설
나는 과거로의 시간여행으로 할아버지의 어린시절로 돌아간다. 그리고 거기서 내가 할아버지를 죽였다면 아버지도 태어날수 없고, 나도 태어날수가 없다. 그럼 할아버지를 죽인 내가 없으니 할아버지를 죽일 사람도 없고, 그러면 아버지도 태어나고 나도 존재하게 된다. 그럼 다시 할아버지를 죽일수 있는 내가 존재하게 되고하는 무한 루프의 역설이 된다.
즉 할아버지 역설의 요지는 과거로의 시간여행이 가능하면 인과율이 깨어지게 되니 과거로의 시간여행을 불가능하다는것이다.
왜 빛보다 빨리 갈수 없나?
특수 상대성 이론에 따르면 빛 보다 빨리만 갈수 있다면 과거로의 시간 여행이 가능하다.다만, 빛 보다 빨리 움직인다는것이 현재로써는 불가능하다. 물질의 움직이는 속도는 아무리 빨라도 빛의 속도를 넘을수 없다. 이것은 아인슈타인의 유명한 식"E=mc^2" 에서 쉽게 이해할수 있다. E 는 에너지이고 m은 질량, c=299,792,458m/s 빛의 속도 이다. 빛의 속도는 늘 일정하니 결국 질량은 에너지와 같다는 등가의 원리로 유명한 식이다.
또한 E=mc^2 는 모든 물체는 빛 보다 빠를수 없다는것을 가장 확실하게 설명하는 식이다. 빛보다 빠른 입자는 없는데 우주에서 쏟아지는 방사선 중에 대기와 충돌하면 '뮤온(Muon)' 소립자가 발생하는데, 100만 분의 2초의 수명으로 바로 붕괴되어 소립자로 변한다. 대기의 상층에 발생하는 뮤온은 1km 내에서 부서지는데 빛의 속도에 거의 가까운 속도로 간다. 뮤온 같은 입자를 입자 가속기에서 빛의 속도에 99.5%까지 가속시킬수 있다고 한다. 그러면 조금만 더 노력하면 빛이 속도에 다가 갈수 있을 것이다. 그러나 여기에서 빛의 속도가 99.5%-->99.9%로 간다고 하면 뮤온의 입자의 질량은 22배가 커지고 , 빛의 속도의 99.999% 이면 질량은 224배가 커지고, 99.99999999 %가 되면 질량은 무려 7,000배가 커지게 된다. 즉 빛의 속도에 접근할수록 뮤온의 질량은 무한대로 증가하게 되면서 무한대의 에너지가 들어가게 된다. 다시 말해, 0.00000001% 상승시킬려면 우주에 있는 모든 힘을 동원해도 어렵다는 것이다. 즉, 광속으로 이동할수 있는 우주선이 있다면 빛보다 빨라지는 순간 질량은 엄청나게 증가 하게 되고 정지했을때 보다 수천배 이상의 추진력이 필요하게 된다는 것이다.
즉, 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 속도가 빠르면 빠를수록 물체의 질량이 증가한다는 것으로 우주 한계속도인 빛보다 빨라지게 되면 질량이 무한대로 증가한다는 것이다. 예를 들어 초 광속으로 이동할 수 있는 우주선이 있다면 빛보다 빨라지는 순간 엄청난 질량이 증가하기 때문에 빛보다 빠른 속도를 만들기 위해서는 처음보다 수천 배 이상의 엄청난 추진력이 필요하게 된다. 다시말해 빛보다 빠른 속도의 초 광속 비행은 사실상 불가능하다는 것이다.
그래서 원래 빛보다 느린 물체를 가속하여 빛보다 빨리 간다는것은 불가능하다는 것이다. 다만, 빛 보다 빨리 움직이는 입자가 있다면 그냥 그 입자는 빛보다 빠른 입자 그 자체 인 것이다. 과학자들은 이러한 입자를 '타키온(tachyon)' 이라고 이름을 붙였다.
타키온은 에너지가 줄어들수록 속도가 증가하는 ‘가상의 물질’로 존재 여부가 확인되지 않았지만 존재가 확인된다면 초 광속 비행이 가능해진다.
2011년 빛보다 빠른 입자 발견?
CERN은 1954년 스위스에 설립된 유럽 연합 공동자원 입자 물리학 연구소로 연구원들만 7000명이 넘으며, 세계 실험 입자물리학자들의 절반이 넘는 수가 이 연구소에서 일한다. 여기에 대형 강입자충돌기가 숨겨져 있으며 원자 이하의 세계를 관찰하는 일종의 현미경이다. 대형강입자 가속기(Large Hadron Collider)는 세계에서 가장 큰 기계로 프랑스와 스위스 영토에 걸쳐 있으며 100m 지하에 직경 9km, 길이 27km의 원형 터널에 구축하여 우주의 신비를 풀기위한 목적으로 가속기로 가속한 입자를 인위적으로 진공관 속에서 충돌시키면 거대한 폭발과 함께 순간적으로 수많은 현상과 새로운 입자가 만들어진다.
2011년, 9월 CERN 연구소는 OPERA 실험으로 진공에서 빛보다 바른 속도의 물질이 발견되면서, 현대 물리학의 초석인 특수 상대성 이론을 위반하는 현상이 발견되었다. 과학계에서는 엄청난 사건이고, 100명 이상의 우수한 역량의 과학자들이 결과를 발표했다는것은 충분히 검토가 되었다는 의미이기 때문이다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 흔들리는 순간이었다.
과학계에서는 실험에 오류가 있을 것이라고 생각하고 재검증의 목소리도 높아 졌다. 결국 재검증 결과 장비 설정에서 원래의 신뢰 구간을 훨씬 벗어나서 오류를 일으킨 두가지 결함을 보고 했다. GPS 수신기를 광섬유 케이블로 컴퓨터에 연결하는데 부적절하게 연결되어 빛보다 빠른 측정이 발생하였고, 클록 발진기가 너무 빨리 반응하였다고 확인하면서 빛보다 빠른 입자는 아직 없는것으로 결론이 났다.
결국 특수 상대성 이론에 의해 과거로의 시간여행은 불가능 하다는 것이다.
그러나 만약 질량이 음의 질량이라면, 증가하더라도 가능할수 있다. 그러나 E=mc^2에서 음의 에너지도 필요하다는 이야기가 된다. 이론적으로, 질량은 음의 값을 가질 수 있지만 아무도 음의 질량을 발견하지 못했다. 그렇다면 왜 이런 음의 질량이 필요한 걸까? 그 이유는 웜홀 때문이다.
3. 웜홀(Wormhole)
칼 세이건이 1985년 소설 Contact를 작업하던중 시간여행에 대한 물리학적 접근을 위해 킵 손에게 자문하는 과정에서 블랙홀을 시간여행의 수단으로 사용하는 웜홀로 지칭하면서 개념이 시작되었다.
칼세이건의 소설은 1997년 조디포스터 주연의 영화 'Contact'에 조디 포스터가 우주선을 타고 웜홀을 통과하는 장면이 생기게 되었다.
웜홀이라는 개념은 물리학자 루트비히 플램을 시작으로 아인슈타인과 제자 나단 로젠과 아인슈타인-로젠 브릿지를 발견하면서 블랙홀이 "확장"될수 있다것으로 시작되었다. 일반 상대성 이론으로 블랙홀을 예측하는 복잡한 계산을 하는 도중에 화이트홀이라는 현상도 예측하게 되었다.
그러나 수학적으로 계산된 웜홀은 작은 미시적 사이즈(cm)로 존재하기 때문에 거시적 물체가 들어갈 수 없다. 웜홀은 매우 짧은 시간 동안만 존재하고 빠르게 붕괴되어 시간 여행을 하기에는 매우 불안한 부분이 있다고한다.
웜홀에서 블랙홀은 중력이 너무 커서 사건의 지평선에 한 번 들어가면 나올 수 없지만, 화이트홀의 사건의 지평선에는 들어갈 수 없으나, 이미 그 안에 있는 것은 무엇이든 빠져나갈 수 있다는 것이다. 아인슈타인과 로젠은은 이론적으로 블랙홀과 화이트홀이 짝을 이룬다는 것을 발견하고 두개의 홀이 공간에서도 서로 다른 곳에 존재하기 때문에 터널로 두 끝이 연결될수 있다.
이러한 웜홀이 존재한다고 하더라도 시간여행을 하기에는 문제가 있다. 블랙홀과 화이트홀이 쌍으로 만들어져 있다는것은 화이트홀이 상당히 불안정하다는 것이다. 화이트홀은 아무것도 들어갈수가 없다. 에너지가 무한대로 계속 증가하여 화이트홀을 폭발시킨다는 것이다. 그리고 화이트홀의 웜홀에 들어갈수 있는 유일한 방법은 반대편 블랙홀의 사건의 지평선을 넘는 것인데, 블랙홀에서는 들어가면 나올수가 없다. 결국 웜홀 자체가 불안정하다는것이다.
이동가능한 웜홀이 될려면 블랙홀에서 들어가고 화이트홀에서 나가고 터널을 안정화할수 있는 물질이 있다면 가능하다. 즉 E=mc^2에서 속력이 증가하더라도 질량이 감소하는 물질 즉, 음의 질량이 되면 양의 질량옆에서는 에너지원이 없이 가속이 가능하다는 것이다.
이론적으로 웜홀은 특수 상대성이론에 의해 시간이 느리게 흐르기 때문에 타임머신 역할이 가능하다. 빛의 속도로 움직이면 가만히 있는 사람보다 시간이 느리게 간다는 것이다. 결국 처음에는 두 끝이 시간적으로 동기화 되지만 한쪽 끝이 거의 빛의 속도로 가속되면, 다른 쪽 끝보다 시간이 느리게 가게되면서 과거에 있게 된다.
다시 말해 웜홀에 통과하는 자신은 자신의 과거에 있게 된다. 또한 돌아 올수 없는 한쪽 방향으로만 가능하다는 것이다.
1988년 킵 손은 칼 세이건의 Contact 원고를 검토 후 소설이 일반 상대성 이론을 설명하기 좋은 예가 될것 같아서 웜홀에 관한 상대성이론 논문을 발표했다. '웜홀, 타임버신, 그리고 약한 에너지 조건'이라는 논문을 발표하면서 당시 물리학계에서는 타임머신은 사이비로 취급되던 시기였으나, 대중적인 관심에 각종 매체에서는 타임머신이 물리학자들에 의해 증명되었다며 과장되기도 하였다.
2년 후 킵손은 포스트 닥터 김성원교수와 함께 물리적 계산결과 양자역학적 현상인 진공 요동에 의해 강력한 에너지 광선이 생겨나 웜홀을 파괴한다는 결과를 얻고, 스티븐 호킹에게 의견을 구하였다. 스티븐 호킹은 이미 타임머신을 만들때 마다, 우리가 만든 타임머신이 되기 바로 전에 진공요동의 광선은 우리가 만든 타임머신을 가로질런 순환하면서 파괴 하고 있었다는 것이다. 이런 결과로 스티븐 호킹은 "지금의 물리법칙은 타임머신을 허락하지 않는다"는 주장을 하였다.
하지만 우리의 앙자중력지식은 아직 걸음마 수준으로 시간여행에 대한 가능성을 판단하기는 어려운 상황에서 2013년 웜홀에 대한 큰 전환이 맞이 하였다. 양자 얽힘에 의해 멀리 떨어진 두 입자가 서로 연결성을 갖고 있어 두 웜홀의 입구가 통로로 연결돼 있다는 것이다.
하지만, 우리보다 미래에 타임머신이 존재한다면 미래에서 과거로 오는 인류가 있어야 하는데 없다는 주장의 근거로 과거로의 타임머신은 불가능할수도 있다.
Reference
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