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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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과거로 떠나는 미래의 인류

9월 20 업데이트됨

2014년 겨울, 많은 이들의 상상력을 자극하고 우주에 대한 신비를 다시금 일깨워 주었던 영화 ‘인터스텔라’가 개봉했습니다. 영화의 주인공으로 등장한 쿠퍼는 그의 딸 머피를 지구에 남긴 채 인류를 구하기 위해 어둡고, 외로운 우주를 향해 나아갔죠. 쿠퍼와 그의 동료들은 웜홀이라는 통로를 통해 정말 멀리 떨어져 있던 천체로 단 몇 분 만에 이동합니다. 이들이 통과한 ‘웜홀’은, 과연 어떤 것일까요? 아인슈타인‧로젠 다리로도 불리는 이 ‘웜홀’은 말 그대로 본래 벌레 구멍이라는 뜻을 가집니다. 사과 속을 파먹는 벌레는, 훨씬 짧은 경로로 사과 반대쪽에 도달합니다. 웜홀도 근본적으로 같은 기작을 보입니다. 마치 사과 속으로 안내해주는 통로라고 볼 수 있습니다. 그러나 웜홀은 사과와 좀 다릅니다. 사과는, 우리를 과거로 돌려보내지 않기 때문이죠.

[그림 1]

*닥터 스트레인지라면 가능합니다

▶ 어떻게 생긴 거지?

작중 표현을 빌리자면, 종이 위에 멀리 떨어진 두 점이 있을 때 종이를 접어 두 점을 맞댄 후 원형의 구멍을 뚫는 것처럼 웜홀은 행동합니다. 3차원 공간을 접어, 멀리 떨어진 두 지점을 구형의 통로를 통해 연결합니다. 본래 웜홀을 블랙홀과 화이트홀로 이루어져 있고, 화이트홀에서는 블랙홀과는 반대로 모든 물질을 방출하는 형태를 띤다는 설이 유력했습니다. 이론적으로는 매우 불안정한 상태로 존재하지만, 스티븐 호킹의 작은 블랙홀에서 정보의 방출이 잘 일어난다는 주장에 의해 현재는 거의 부정된 상황입니다.

[그림 2]

*영화 인터스텔라 속 웜홀 상상도

그렇다면 웜홀은 어떻게 생겼을까요? 웜홀은 현재 블랙홀과 화이트홀로 이루어진 형태보다는 공간에서 두 블랙홀을 잇는 이동 통로로써 많이 해석됩니다. 아인슈타인 이론을 풀었을 때 자연스럽게 유도되는 웜홀은 그래서, 아인슈타인‧로젠의 다리라고도 불립니다.

▶ ‘블랙홀’에 대해서

블랙홀은 그 존재가 아인슈타인의 일반상대성이론을 시작으로 드러납니다. 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 중력이 빛의 움직임에 영향을 준다고 하였습니다. 모두가 잘 아는 ‘등가 원리’입니다. 그는 아인슈타인 방정식이라 불리는, 점질량과 구질량을 기술하는 방정식을 세우게 되죠. 얼마 뒤, 슈바르츠실트가 이 방정식을 풀게 되고, 이 방정식의 특정 항이 무한대가 되는 특이점에 관심을 보이게 됩니다. 이는 추후 슈바르츠실트 반경이라 불리며, 블랙홀의 크기를 결정하는 중요한 수식으로 작용하게 됩니다.

[그림 3]

*슈바르츠실트 반경

어쨌든, 이 슈바르츠실트 반경이 가지는 의미는 쉽게 말해, 어떤 항성의 질량이 너무 커서, 빛조차도 빠져나올 수 없다는 것입니다. 이 블랙홀 속으로 빨려 들어간 물체는 다시는 빠져나올 수가 없습니다. 만약 어느 물체가 블랙홀을 향해 낙하하면, 그 물체의 모양, 분포하고 있던 전하 등의 점도는 블랙홀의 지평선을 따라 분산됩니다. 바깥쪽의 관찰자가 보기에는, 이 정보가 소실된 것처럼 보이는 것이죠.

▶ 사건의 지평선

블랙홀에는 ‘사건의 지평선’이라는 것이 존재합니다. 이곳을 경계로 물질과 빛은 블랙홀 안으로 들어갈 수만 있고, 밖으로 나올 수는 없습니다. 일반상대성이론에 의하면, 질량은 시공간을 왜곡시킵니다. 블랙홀은 사건의 지평선에서 이 왜곡이 매우 심합니다. 입자는 휘어진 공간의 경로를 따라 이동하는데, 이 같은 경우에서는 블랙홀 바깥쪽으로 휘어진 경로가 없는 것입니다.

[그림 4]

*사건의 지평선

외부 관찰자는 블랙홀 근처의 시계가 자신보다 더 느리게 간다고 봅니다. 사건의 지평선에 가까워지는 시계는, 점점 느려져 사건의 지평선에 닿기까지 걸리는 시간은 무한대가 됩니다. 그러나 신기하게도, 이 느려지는 시계를 들고 있는 사람에게는 이 모든 과정이 특별하지가 않습니다. 그는 그저 사건의 지평선을 넘어, 블랙홀로 가까이 갈 뿐입니다. 그래서 그는 사건의 지평선의 정확한 위치를 알아낼 수 없습니다.

▶ 과거로 돌아가는 방법, 그 첫 단계

웜홀은 이렇게 신비롭고도 가상적인 것에 가까운 블랙홀에 의해 생길 수 있습니다. 현재 웜홀은 두 시공간의 다른 지점을 연결하는 통로로써 사용되는 용어입니다. 아직 과학계는 양자 웜홀의 존재까지만 확인한 상태입니다. 대략 10~30cm의 작은 크기로 존재하며, 안정적으로 유지하는 것은 사실상 불가하죠. 그런데 만약, 정말 큰 웜홀이 영화처럼 우리 가까이에 나타난다면 어떻게 될까요? 우리는 이것을 이용해, 과거로 떠날 수 있습니다. 다음 과정을 통해서 말이죠.

[그림 5]

*과거로 여행을 떠나는 미래의 인류

웜홀을 지금으로부터 약 1000년 후, 3000년 1월 1일에 발견했다고 가정합시다. 그 끝에는 알파 센타우리가 빛나고 있네요. 그쪽 시간도 3000년 1월 1일입니다. 일단, 웜홀 중간에 우주비행사를 들여 보냅시다. 과거로 떠나는 여정은, 처음부터 힘이 듭니다. 웜홀 입구를 광속의 99.5%로 2.5광년 떨어진 곳에 보냈다가 다시 지구 근처로 가져와야 하기 때문입니다. 우리는 이 웜홀 입구가 3005년 1월 10일에 다시 돌아왔다고 관측합니다. 그러나, 5년 전 보낸 우주비행사는 우리에 대해 움직였기 때문에, 우리가 보기에 10배 더 느리게 나이를 먹습니다. 그는 6개월 밖에 나이를 먹지 않은 것이죠. 그의 시계는 아직 3000년 7월 1일을 가리키고 있습니다.

▶ 과거로 돌아가는 방법, 그 두 번째 단계

아직 웜홀의 끝에는 알파 센타우리가 있습니다. 웜홀의 구조는 변하지 않았고, 웜홀 입구는 알파 센타우리에 대해 움직이지 않았고, 우주비행사도 웜홀 입구에 대해 움직이지 않았습니다. 따라서 알파 센타우리의 시계는 우주비행사의 시계와 같습니다. 다시 돌아온 웜홀로 관찰한 알파 센타우리의 시계는 3000년 7월 1일인 것이죠. 이 웜홀을 지나는 것은 순식간입니다. 이 웜홀을 통과하면, 금세 알파 센타우리에 도달하게 되고, 도착하니 그쪽의 시계는 3000년 7월 1일을 가리킵니다.

▶ 과거로 돌아가는 방법, 그 마지막 단계

이제 우리는 광속의 99.5%로, 웜홀을 통과하지 않고 지구로 돌아옵니다. 4년 조금 넘게 걸리는 여정에, 우리가 도착하자 지구는 3004년 7월 8일입니다. 그런데 우리는, 지구에서 3005년 1월 10일에 출발했습니다. 약 6개월 전으로, 시간여행에 성공한 것입니다. 하지만 여기서 잊지 말아야 할 사실이 있습니다. 아무리 과거로 돌아가려 해도, 웜홀이 생기기 이전으로는 돌아갈 수가 없습니다. 즉, 타임머신이 생기고 난 과거로만, 우리는 시간여행을 즐길 수 있습니다.

▶ 블랙홀과 웜홀의 관측

블랙홀은 지난 2019년 4월 10일 공개된 사진에 따르면, 이벤트 호라이즌 망원경에 의해 최초로 관측되었습니다. 빛이 갇혀 고리를 형성하고, 가운데 그림자가 생긴 형태입니다. 인류 최초로 확인한 블랙홀은, 일반상대성이론이 점차 맞아들어감을 나타내고 있습니다. 그렇다면, 아인슈타인 이론에서 파생되는 웜홀의 존재는 확인되었을까요? 안타깝게도 아직 웜홀을 관측되지 않았습니다. 먼 미래, 어쩌면 웜홀을 관측하고 웜홀을 이용해 과거로 시간여행을 떠나게 되는 인류가 되기를 바랍니다.

[동영상 1]

https://www.youtube.com/watch?v=QnLVM7evymA

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