물리학에서 시간여행은 과연 가능할까?

안녕하십니까. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽으며 내용을 포스팅 하고 있습니다.  원제목은 "The illustrated a brief history of time" 입니다. 

그동안 시간은 오로지 한쪽 방향으로만 달려나가는 열차와 같은 것처럼 생각되어져 왔습니다. 하지만 과학이 점점 발달함에 따라 과거로의 시간여행도 가능해질 수 있을까요? 

많은 과학자들과 소설가들도 이러한 주제를 오랫동안 다루어 왔습니다. 1949년 쿠르트 괴델은 일반상대성이론이 허용하는 새로운 시공간을 발견함으로써 인류가 어쩌면 시간여행이 가능할 수도 있지 않을까 하는 새로운 가능성을 보여 주었습니다. 

괴델은 미국의 프린스턴 고등학술연구소에서 아인슈타인과 함께 노년을 보내면서 일반상대성이론을 접하게 되었다고 합니다. 

  

괴델의 시공간은 우주전체가 회전하는 특성을 가지고 있었습니다. 그럼으로써 우주여행을 출발했다가 다시 출발하기 전의 지구로 다시 돌아올 수 있을 것이라고 생각했습니다. 이런 생각은 아인슈타인을 아주 당황하게 만들었다고 합니다. 

괴델이 발견한 우주모형은 우리가 존재하는 우주와 일치하지는 않습니다. 우리의 우주는 회전하지 않는다는 사실을 증명할 수 있기 때문입니다.  

하지만 괴델 이후 일반상대성이론이 허용할 수 있는 좀더 많은 가능성들을 가지는 시공간들이 발견되었습니다. 그중 하나는 회전하는 블랙홀의 내부입니다. 

또다른 형태는 아주 빠른 속도로 서로를 스쳐 지나가는 움직이는 두개의 우주 끈( cosmic string)을 포함하는 시공입니다.  여기서 우주끈은 길이는 있지만 단면적은 아주 작은 끈과 같은 형태를 말합니다. 

게다가 이 우주끈은 10^24 ton에 해당하는 엄청난 장력을 받고 있습니다. 끈 보다는 고무줄에 가깝다고 할 수 있습니다. 

만약 지구에 우주 끈이 달라 붙는다면 지구는 불과 1/30 초 만에 정지에서 시속 60마일까지 가속시킬 수 있다고 합니다. 이런 우주끈은 대칭성 붕괴의 결과로 우주의 초기 단계에서 생성되었다고 믿을 만한 여러 가지 근거가 있습니다. 

이 우주끈은 앞서 말한것 처럼 엄청난 장력을 받고 있어 만약 지선이 된다면 아주 빠른 속도로 가속될 수 있는 것입니다. 

괴델의 해와 우주 끈 시공간은 뒤틀린  상태에서 출발함으로 항상 과거로의 사간여행은 가능합니다. 어쩌면 신이 이런 휘어진 우주를 창조했을지도 모릅니다. 

극초단파 배경복사와 가벼운 원소들은 매우 풍부합니다. 이는 초기 우주에서는 시간에 여행에 필요한 곡률을 가지고 있지 못함을 알 수 있게 해줍니다. 

따라서 이처럼 우주가 시간여행에 필요한 곡률을 가지지 않은 상태에서 출발했다면 문제는 우리가 시간여행이 가능하기 위해서는 어떻게 충분히 시공간의 국부적인 영역을 휠 수 있을까라는 것에 봉착하게 만듭니다. 

다른 관점에서 만약 우리가 빛보다 빨리 달릴 수 있다면 상대성 이론에서는 과거로 여행이 가능함을 이야기 합니다. 하지만 광속의 벽을 깨뜨린다는 것은 문제가 있습니다. 

속도가 광속에 가까워지면 가속을 하는 데에 더 큰 동력이 필요하게 됩니다. 이런 것들은 입자가속기를 이용한 소립자 실험들을 통해 알 수 있습니다. 

유럽 핵 공동연구소에 있는 입자가속기를 통해 입자를 광속의 99.99% 까지 가속시킬 수 있습니다. 하지만 우리는 아무리 많은 동력을 공급해도 결국 그 소립자들이 광속의 벽을 깨게 할 수는 없습니다. 

이러한 사실은 과거로의 시간여행을 어렵게 만드는 요소들입니다.  하지만 한 가지 가능성은 있습니다. 

바로 시공간을 휘게 만들어서 지름길을 만든다면 그런 일딜이 가능해집니다. 우리는 이를 벌레구멍 같다하여 웜홀(wormhole)이라 부릅니다. 

다음시간에서는 이 웜홀(wormhole)에 대해서 알아보는 시간을 가지겠습니다. 

감사합니다.