[21세기 과학 대탐험](15)시간여행
‘시간여행이 가능할까’라는 질문은 오래 전부터 인간의 상상력을 자극해왔다.공간여행에 관한 한 어느 방향으로나 가능한 이 때,시간여행이 가까운미래에 현실로 다가올 수 있을까.
이해를 돕기 위해 먼저 시간과 공간에 대해 살펴보자.
우리는 실제로 4차원의 공간(공간 3차원+시간 1차원) 속에서 살아간다.공간은 우리들 마음대로 방향에 구애받지 않고 위 아래,앞뒤,좌우 어느 방향으로나 이동이 가능하다.반면 시간은 공간처럼 앞뒤로 마음대로,즉 과거로 미래로 이동하는 것이 불가능하다.
이와 관련해서는 물리학이나,철학,논리학 등에 인과율(因果律)이라는 불문율이 존재한다.어떤 사건들의 순서가 정해져 있다는 것인데,원인이 되는 한사건의 발생 이후에 그 사건으로 인한 결과가 되는 사건이 뒤따른다는 것이다.
이렇게 공상 속에서만 가능한 타임머신이 바로 물리학의 연구대상이 되고,또 실현 가능성의 길을 열어 준 것은 바로 아인슈타인의 일반상대성 이론이다.1905년에 아인슈타인이 특수상대성 이론을 발표하고,다시 10년 후에 발표한 일반상대성 이론은 그 때까지 신성불가침이었던 시·공간에 역동성을 부여한 최초의 이론이었다.즉,물체에 의해 주위의 시간과 공간이 가만히 있지못하고 살아 움직이며 꿈틀거리게 되고,기존의 시간 개념과는 전혀 다르게운동하는 시간이 된 것이다.
사람들은 바로 이 일반상대성 이론의 핵심인 아인슈타인의 방정식을 풀어서 나오는 여러 가지 시공간 모델로부터 타임머신의 존재가 가능한지 계속 탐색해왔다.
맨 처음에 나온 것은 1937년의 반 스토쿰이라는 물리학자가 만든 시공간 모델이었다.이것은 먼지로 이루어진 무한 원기둥이 빠르게 회전할 때 생기는시공간 모델인데 원기둥 주위에서 시간 여행이 가능하게 된 것이다.이와 비슷한 모델들이 여럿 나왔으나 모두 물리적인 현실성이 뒤떨어져 별로 사람들의 관심을 끌지 못했다.
최근에 타임머신에 대한 연구가 다시 시작됐는데 그것은 바로 웜홀의 등장에 따른 것이었다.웜홀은 한 위치에서 다른 위치로 비교적 짧은 시간 안에이동해 나갈 수 있는 공간의 구조를 말한다.따라서 이를 우주의 지름길이라고도 하는데이 웜홀이 처음 나온 것은 블랙홀의 해법을 찾게 된 때부터이다. 1988년에 미국의 천문학자이자 공상과학 소설가인 칼 세이건은 소설(나중에 이 소설은 ‘컨택트’라는 이름으로 발표)을 집필하면서 칼텍(캘리포니아공과대학)의 손(K.Thorne) 교수에게 웜홀을 우주의 지름길로 사용해도 괜찮은지 편지를 보냈다.
그 때까지 웜홀이 지극히 불안정하다고 여겼던 손 교수 그룹은 웜홀을 안정하게 만들기 위한 조건을 찾았는데,보통 물질이 아닌 특이한 물질을 사용하면 웜홀이 안정하다는 것이었다.특이한 물질이란 에너지 밀도가 마이너스인이상한 물질이었다.
이러한 물질이 불가능하리라고 생각이 들지만,아주 미시세계에 사용되는 양자론이나 양자장론에서는 가능하기 때문에 그들은 우주여행이 가능한 웜홀이라는 주제로 논문을 썼다.이어 이 웜홀을 이용해 시간 여행이 가능한 타임머신의 모델에 대해서도 발표했다.웜홀을 통과한 여행은 실제로 웜홀 밖으로의여행보다 훨씬 시간이 짧게 소요되기 때문에 마치 빛보다 빠르게 여행한 효과가 나오게 된 것이다.따라서 이 성질을 잘 이용하면 타임머신이 가능하다는 결론이 나오게 된다.
이 모델이 갖는 많은 제약과 문제점에 관한 연구들이 현재까지 계속 이어지고 있다.그 중에서 많은 관심을 끄는 것들은 어떻게 그런 웜홀을 찾아 이용할 수 있는가 하는 문제,웜홀이 타임머신의 형태를 취하게 될 때의 안정성문제,타임머신이 되었을 때 인과율 문제 등이다.그래서 최근의 연구들은 바로 이런 문제들을 어떻게 해결하느냐는 것이 주제다. 웜홀의 존재와 관련,우주 생성 초기에 구성됐을 구조가 점차 우주가 커지면서 웜홀도 같이 커졌으리라는 연구결과도 나오고 있으며,최근에 블랙홀로부터 웜홀로의 변신이 가능하다는 논문도 나오고 있다.
안정성 문제는 타임머신이 되기 전에 쌓이는 물질에너지의 영향으로 웜홀주위의 시공간의 역동성을 자극해 타임머신이 생성되기 전에 뭉개버릴 것이라는 우려다.이것은 몇 가지 제한조건이 있지만 그저 그런대로 해결된 상태다.그러나 마지막 인과율 문제는 가장 해결하기가 어려운 문제다.이를 당구공의 충돌 문제로 바꾸어 여러 가지로 시도해보았지만 물리적으로 만족하는유일해(唯一解)를 얻지 못한 형편이다. 따라서 어느 학자는 ‘백투더 퓨처’라는 영화의 내용처럼 과거가 바뀌는 순간마다 새로운 세상이 펼쳐질 것이라는 대체(代替) 우주 모델을 내세우기도 하지만 이것은 너무나 많은 우주를요구하기 때문에 비경제적(非經濟的)이므로 현실감이 떨어진다.
최근 웜홀 외에 우주 끈을 이용하는 등 여러 가지 타임머신 모델도 나와 있지만 어느 모델도 앞의 문제점들을 깨끗하게 해결하지 못한다.따라서 학자들은 끊임없이 새로운 대안 모델을 만들어 내지만 무엇보다도 이러한 현안들을해결하는 데 진력하고 있다. 하지만 이렇게 연구해 나가면 앞으로 과연 실현될 것인가라는 질문에는 어느 누구도 뚜렷한 답을 내지 못하고 있다.
다만,공상과학소설에나 나오는 시간여행같은 문제도 이제는 물리학의 연구대상으로 들어오기 시작했으며,이 연구를 통해 얻게되는 결과들은 본래의 목적을 달성했든,그렇지 않았든 간에 우리들을 흥분시키고 삶을 개선하기에 충분하리라고 과학자들은 믿고 있다.
△ 이화여대 과학교육과 교수 김성원.
[필자약력] ▲45세 ▲서울대 물리학과 ▲한국과학기술원 물리학과 이학 석·박사 ▲단국대학교 물리학과 조교수 ▲러시아 국제저널 ‘그래비테이션 & 코스몰로지’ 편집위원 ▲이화여자대학교 과학교육과 교수(sungwon@mm.ewha.ac.kr).
*시간여행 연구 어디까지.
지금까지 많은 물리학자들은 과연 시간여행이 가능할 지에 대한 의문을 풀기 위해 많은 연구를 거듭했다.
아인슈타인의 상대성 이론은 일반인들이 지닌 통상적인 시간개념에 많은 변화를 가져왔다.그의 상대성이론은 쌍둥이 형제 가운데 한 명이 우주를 여행하고 돌아오면 지구에 남아 있는 다른 쌍둥이보다 젊게 된다는 이른바 ‘쌍둥이 패러독스’로 이어져 시간의 문제에 대해 많은 사람들의 상상력을 자극하기도 했다.원칙적으로 빛보다 빠르게 움직이는 물체는 없다는 것이 아인슈타인의 상대론의 결과 중 하나다.
스티븐 호킹 박사는 한때 시간의 방향에 대해 논의를 전개한 적이 있다.1985년 열역학적인 시간의 화살과 우주론적인 시간의 화살에 대한 논의에서 대폭발이 멈추고 우주가 수축할 경우 시간의 화살이 역전된다고 주장한 적이있다.
프린스턴 대학의 리처드 고트 교수는 시공간을 통해 과거로의 여행이 가능한 지,그리고 그것이 연대적인 일치성을 보장하는 지를 연구해 왔다.이론상으로 ‘닫힌 시공간 곡선’(Closed timelike curve)을 통해 시간여행을 하는것이 가능하다고 주장하고 있다. ‘고트 타임머신’이라고 명명된 그의 이론에 따르면 여행자는 구부러진 시공간의 경로를 따라 항상 미래를 향해 나아가지만 결국은 출발점으로 돌아오게 된다.
고트 교수는 “공간의 어느 부분에서는 시간여행이 불가능하지만 코시 지평선(cauchy horizon)이라는 표면에 의해 분리되는 공간에서는 타임머신이 작동할 수 있다”고 말한다.단,타임머신이 만들어진 시대에서만 시간여행이 가능하다.이같은 시간여행이 가능하려면 시공간의 휘어짐이 필요하고 이를 위해선 블랙홀의 도움이 필수적이다.하지만 이 블랙홀이 여행자와 그 주변의공간을 삼켜버리지 않는다는 보장도 없다.
그런가하면 실험을 통해 130억년 전 우주창조의 첫 순간을 엿보는 시도를하는 과학자들도 있다.뉴욕 롱아일랜드의 브룩하벤 국립연구소 에너지분과연구원들은 그들이 ‘타임머신’이라 부르는 입자충돌기로 우주 창조의 순간을 재현하는 실험을 준비 중이다.그들의 계획은 금 원자에서 전자를 떼어내빛의 속도의 99.995%로 전자들을 가속시킨 뒤 태양 온도보다 1만배 정도되는온도속에서 원자의 쌍에 충돌시켜 우주창조 직후에 생성된 ‘쿼크-글루온 플라즈마’라는 원시물질을 만들어 낸다는 것이다.
함혜
