우주에는 시공간이라는 요인에 의해 수많은 변화가 생긴다. 가장 짧은 거리가 직선이 아니고 곡선일 수도 있고, 시간이 빨리 가기도 하고 늦게 갈 수도 있으며, 같은 물체라도 상태에 따라 흐르는 시간이 다르기도 하다,
이 변화무쌍한 우주에서 인간의 호기심은 우주를 향하고 있으며 그것을 실현하기 위한 노력을 끊임없이 하고 있다. 먼 우주를 여행하기 위해서는 시간의 제약이 있으므로 아무리 먼 거리라도 순식간에 갈 수 있는 기술이 필요하다. 그 중의 하나가 웜홀을 이용한 이동이다. 이번 글에서는 웜홀에 관하여 탐구해 보자
|웜홀이 무엇인가?
웜홀(worm hole)은 일반 상대성이론과 리만 기하학에 기반한 과학적인 개념으로, 시공간의 특별한 구조를 나타낸다. 웜홀은 두 지점을 4차원적으로 연결하는 지름길로 작용하는데 이를 통해 먼 우주 공간을 단시간에 이동하거나 다른 차원으로 접근할 수 있을 것으로 이론화 되고 있다.
웜홀은 질량과 중력에 의해 시공간이 휘어지는 일반,상대성이론(시공간 곡률)의 결과물 이다. 두 지점을 양방향으로 연결하며, 어느 한쪽에서 들어가면 다른 쪽에서 나올 수 있다.
웜홀의 안팎을 잇는 커넥션은 블랙홀과 유사하게 생길 수 있으며, 이를 이해하기 위해 블랙홀과 화이트홀의 개념을 고려해야 하는데 아직까지는 이론적으로만 존재하는 개념이며, 직접적인 관측이나 실험적 증거는 없다.
웜홀은 공상과학소설이나 영화에서 널리 다루어지며, 우주 여행의 가능성을 탐구하는 중요한 주제 중 하나입니다. 그러나 현실적인 존재와 안전한 활용에 대한 연구는 진행 중이며, 미래에는 이러한 지름길을 활용할 수 있을지에 대한 연국가 계속될 것이다.
| 과학적 배경
웜홀은 일반 상대성이론과 리만 기하학에 근거한 이론적인 개념으로, 다른 두 지점을 연결하는 가상의 통로이다.
웜홀은 알베르트 아인슈타인의 일반상대성이론에 바탕을 두고 중력을 시공간 곡률로 해석하며, 질량이 시공간을 휘어가게 하는 개념을 설명된다.
또한 리만 기하학은 공간의 곡률과 관련된 수학적 이론인데 웜홀의 수학적 모델링에 리만 기하학이 사용되며, 이를 통해 웜홀의 곡률된 시공간을 설명하고 예측한다.
그리고 웜홀은 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 통로로 이해되는데 블랙홀은 질량이 모여 시공간을 곡률시키는 현상으로, 웜홀의 일부로 사용될 수 있다.
웜홀은 양방향 연결하는 통로를 가지며, 한쪽에서 들어가면 다른 쪽에서 나올 수 있고 이는 과학적으로 설명 가능하고 현재까지 이론적으로만 존재하는 개념이다.
웜홀은 우주 공간을 단시간에 이동하거나 다른 차원으로 이동하는 가능성을 탐구하는 중요한 주제로 다루어지고 있다.
|웜홀의 종류
슈바르츠실트 블랙홀과 웜홀
슈바르츠실트 블랙홀은 어떤 물체가 매우 큰 질량을 가질 때 시공간의 왜곡 현상에 의하여 형성되는 블랙홀로써, 슈바르츠실트 반지름이라고도 알려진 있다.
물체가 슈바르츠실트 반지름 내에 들어가면 더 이상 탈출할 수 없게 되며, 이 지점 이내로 들어간 물체는 블랙홀로 떨어지게 된다. 슈바르츠실트 블랙홀은 단순히 질량과 반지름으로 결정되며, 회전과 전하를 갖지 않는 정적인 블랙홀이다.
슈바르츠실트 웜홀은 슈바르츠실트 블랙홀의 내부에서 형성되는 가상의 통로로, 이 통로를 통해 다른 지점 또는 우주로 이동하는 개념이다.
그러나 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 건너기에는 그 통로가 너무 빨리 붕괴된다는 것이 밝혀졌지만 그 후에 물리학자들은 이 웜홀이 현미경적인 공간에서응 횡단할 수 있는 가능성을 가질 수 있으며, 통로를 유지하기 위하여 이질적인 물질을 필요로 하지 않고 대신 하전된 블랙홀로 붕괴할 수 없을 만큼 충분히 작은 질량을 가지고 전하를 띤 페르미온 물질만 필요로 한다고 밝혀내기도 했다.
아인슈타인의 로젠 다리
아인슈타인의 로젠 다리는 아인슈타인 장 방정식에 대한 진공 해로 모델링될 수 있는 공간 영역 사이의 연결이다. 슈바르츠실트 웜홀과는 달리 아인슈타인의 로젠다리 웜홀은 이론 상 그 통로가 유지될 수 있으며, 사건의 지평선을 통해 떨어진 물체는 그 통로를 지나 반대 편에서 나올 수 있다.
다시 말하면 한쪽 통로로 들어가서 다른 통로로 나올 수 있다는 의미이고 이것은 우주공간의 두 지점을 순식간에 이동할 수 있다는 뜻이다. 내장 다이어그램(Embedding diagram)에 따르면 이 통로는 두 공간을 연결하는 튜브처럼 보인다.
텅빈 시공간은 평평하지만 질량이 매우 큰 물체에 의해 주변의 시공간이 휘어지고 그 물체를 압축하면 시공간은 그 주변으로 더 많이 휘어지며, 결국 시공간이 너무 심하게 비틀리다 붕괴되어 블랙홀이 된다.
이 때, 일방 통행만 가능한 사건의 지평선이 만들어져 들어갈 수는 있지만 영원히 중심에서 탈출 할 수 없다는 것이 일반적인 개념이다.
그런데 사건의 지평선 반대쪽에 모든 것을 배출시킨다는 화이트 홀 이라는 가능성이 있다면 우주에서 먼 두 공간 사이를 순식간에 이동할 수 있지만, 안타깝게도 아인슈타인 로젠 다리는 건널 수 없다. 왜냐하면 반대편 우주로 건너가는데 무한한 시간이 걸리고 그마저도 중간에 통로가 닫히기 때문이다.
초끈 이론에 의한 웜홀
초끈 이론(string theory)은 일반 상대성 이론과 양자역학을 하나로 합쳐 물리학의 근본을 찾는 이론으로써 끈의 진동(string) 모드에 따라 입자의 특성이 결정된다는 것이다. 다시 말하면 이후주의 가장 근본적인 물질은 여러 가지 형태의 끈 모양을 가진 가진 에너지이며 이것이 모여 여러가지 입자를 만든다는 것이다.
만일 초끈 이론이 사실이고, 초끈 이론에 의해 빅뱅이 있은 직후에 입자들간의 양자 진동과 얽힘에 의하여 수많은 웜홀이 만들어져 우주 곳곳으로 퍼져 나갔고, 그것이 전 우주를 연결하고 있다면 우리는 우주에 퍼져있는 웜홀을 발견하여 이용하기만 하면 먼 우주 공간을 얼마든지 이동할 수 있게 된다. 그러나 초끈 이론으로 웜홀이 만들어졌다는 것도 증명되지 않았고 실제로 웜홀을 발견하지도 못했다.
인공 웜홀
우리가 생각할 수 있는 또 다른 웜홀은 인공 웜훌이다. 우리 주위에 존재하는 물질은 모두 양의 질량을 가진 물질들이다. 그러나 양의 물질과는 반대로 음의 질량을 가지는 별난 물질이 존재한다고 한다.
이 음의 물질은 양의 물질과 그 성질이 반대이기 때문에 웜홀의 통로가 붕괴되는 것을 막을 수 있다. 사람이 통과할 수 있는 웜홀을 만들기 위해서는 웜홀 이 서로 다른 두 공간을 연결해야 하고, 사건의 지평선을 포함해서도 안 된다. 왜냐하면 사건의 지평선이 존재하면 통과 하는데 시간이 무한히 늘어나 웜홀을 통과할 수 없기 때문이다.
또한 인간이 중력 때문에 죽지 않을 정도로 웜홀의 크기가 적당해야 한다. 그리고 통로가 붕괴되지 않아야 한다. 이런 조건을 만족시키는 웜홀을 만들기 위해서는 일반적으로 막대한 에너지가 필요하다. 그러나 지구상에는 아직 이런 에너지를 만들 수 있는 장치가 존재하지 않는다. 따라서 과학자들이 생각하는 것 중의 하나가 음의 질량을 가진 물질이다.
음의 질량을 가진 물질은 힘을 가하면 양의 가속도를 얻는 대신 음의 가속도를 얻게 되고, 중력에 반대로 작용하여 양의 질량을 가진 물체를 밀어내는 역 중력 효과를 만들어 낸다.
따라서 이 물질을 이용하면 우리는 시공간을 마음대로 조정할 수 있게 되고, 웜홀이 붕괴되지 않도록 유치하는 수단으로 활용할 수 있으므로 우리가 원하는 웜홀을 만들어낼 수 있을 가능성도 있다.
그러나 웜홀이나 음의 질량을 가지는 물질의 개념은 아직 이론 상으로만 존재하고 실제로 관측하거나 완벽히 통제 가능한 음의 질량을 가지는 물질은 만들지 못하였다. 그래서 어떤 과학자들은 웜홀을 만드는 것이 불가능할 뿐만 아니라 그 자체가 존재할 수 없다고 주장하기도 한다.
그런데 구글 양자 프로세스 실험에서 과학자들이 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 한쪽 블랙홀에 1 큐비트의 양자 정보를 들어가게 하여 관찰하였는데, 반대 쪽으로 나오는 것을 관찰할 수 있었다고 한다. 즉 인공 웜홀을 통하여 양자 전송을 성공시킴으로써 웜홀이 이론상으로만 존재하는 것이 아니고 실제로 존재할 수 있음을 증명했다.
실험실에서 음의 질량을 가지는 물질을 만들다
2017년에 미국 워싱턴주립대 물리학 연구진은 실험실에서 음의 질량으로 이뤄진 물질 “루비듐 초유체”를 만들었다고 발표했다.
연구팀은 루비듐 원자를 절대온도 0도 근처까지 냉각시켜 보스-아인슈타인 응축 상태로 만들었다. 보스-아인슈타인 응축 상태가 되면 입자는 움직임이 매우 느리고 마치 하나의 덩어리처럼 뭉쳐서 파동처럼 행동한다.
연구팀은 이 단계에서 레이저를 쬐어 루비듐 원자를 회전시켰다. 회전 속도가 충분히 빨라지자 루비듐 원자가 마치 음의 질량을 가진 물체처럼 행동했다고 한다. 연구팀의 실험에 의하면 이 물질은 밀어내는 힘을 가하면 멀어지는 게 아니라 반대로 가까워지는 현상을 보였다고 한다.
|결론
웜홀은 아직까지는 과학자들의 머릿속에 있는 이론적인 개념에 불과하다. 웜홀이 어떻게 만들어지는지 무엇으로 만드는지 그 과정은 아직 미지의 세계이며 인간의 접근을 허락하지 않고 있다.
어쩌면 웜홀 자체가 존재하지 않을 수도 있고 있다고 해도 인간에게 발견되지 않을 수 있다. 그러나 인간의 호기심은 끝이 없기 때문에 시간이 많이 지나면 어떠한 쪽이든 결론이 나올 것이다. 만일 웜홀을 인공적으로 만들고 유지할 수 있는 기술이 발견이 된다면 이 넓은 우주를 탐험하고자 하는 인간의 꿈이 어렵지 않게 이뤄질 수 있다.