(2) 시간여행, 순간이동, 블랙홀에 대해 과학이 지금 설명할 수 있는 것

(2) 시간여행, 순간이동, 블랙홀에 대해 과학이 지금 설명할 수 있는 것

(앞편에 이어서)


「양자적 중첩」과 「엉킴」이라고 하는 발상에서, 양자 텔레포테이션이라고 하는 발상이 되는 것 자체는, 아마도 자연스러운 전개이다. 그러나 그런 이동이 실제로 이뤄질 수 있을까?

양자 텔레포테이션의 일반 원리에서는, 이렇게 생각되고 있다--두 개의 엉킨 양자가, 각각 떨어진 장소에 위치하고 있다. 텔레포트시킬 물체를 스캔하여 그 물체에 관한 정보만을 엉킨 양자쌍을 통해 어느 지점에서 다른 지점으로 전달한다.

다만 원자 1개를 텔레포트 시키는 것만으로도 그 양자 상태에 대한 방대한 정보가 필요하다. 전송할 원자의 모든 것을 알아야 한다. 당초 그것은 단순하게 불가능한 일로 여겨졌다. 하이젠베르그의 원리라고도 불리는 '불확정성 원리'로 양자시스템을 스캔해 어딘가 다른 장소에서 재형성하기 위해 필요한 정보 모두를 얻는 것은 불가능하다고 알려져 있었기 때문이다. 하지만 특정 정보를 양자 수준으로 즉시 전송하는 양자갈등이 이 문제의 해결책이 된다.

보완 정보로 입자를 측정한 값도 나중에 전달된다.이렇게 모인 정보--양자역학의 원리에 따라 엉킴을 통해서 전송되는 정보와 그것과는 별도로 광속으로 전달되는 스캔 결과를 기초로, 이동처의 장소에서, 해당하는 소재를 사용해, 물체가 재형성된다.

1993년에는 IBM에 소속된 물리학자 찰스 베넷의 지휘 아래 각국에서 모인 6명의 과학자들이 양자 갈등을 통해 떨어진 위치에 있는 입자 상태를 전사할 수 있음을 처음으로 실증했다.

이렇게 해서 현대의 양자 텔레포테이션 개념이 탄생한 것이다. 연구는 그 후에도 계속되어, 세월에 걸쳐, 원자의 수를 늘린 실험도 많이 실현되었다. 다만 문제가 있다. 약간의 광자나, 한 덩어리의 원자(절대 0도에 가까운 온도에서 냉각한 기체로서)라면 전송이 가능하지만, 양자 엉킴을 사용해, 인체를 구성하고 있는 무수한 원자의 결합을 설명하는 방대한 정보를 전송하는 것은, 당연하게도 그것보다 훨씬 어려운 일이다.

양자 텔레포테이션의 본질이란, 원래의 물체의 복제를 만든다는 것은 아니다, 라는 점도 꼭 밝혀두어야 한다. 하나의 입자에 관한 모든 정보를 양자 수준으로 전송한다는 것이 그 입자를 보낸다는 의미가 된다. 반드시 오리지널 입자를 물리적인 수준에서 이동시킨다고는 할 수 없다.

물체가 순간이동한다면 그것은 A라는 지점에서 파괴된 물체가 B라는 지점에서 다시 만들어진다는 것으로 이해해야 하지만 최근 예비 연구에서는 물체 자체의 양자 텔레포테이션 실현성도 제시되고 있다.

그렇다고 해도 스타트렉의 등장인물들이 사용했던 것과 같은 테크놀로지가 보급되는 것은 아마 수세기 이후 일이 될 것이다.

◆ time travel(시간여행)과 시간적 폐쇄곡선

텔레포테이션이라는 발상의 과학적 근거가 양자역학, 즉 극히 좁은 거리에서도 물질구조에 관한 이론이라면 시간여행이라는 발상의 근거가 되고 있는 것은 매우 원대한 거리의 우주에 대해 설명하는 이론이다. 아인슈타인의 일반상대성이론이다.

이 이론은 현 시점에서 공간과 시간의 성질에 대한 가장 정확한 설명이다. 이 이론이 시간여행 가능성을 완전히 배제하지는 않고 있다는 사실을 감안하면 우리가 이 주제를 진지하게 생각하는 것도 이상한 일이 아니다. 일반상대성이론의 전제로서 시간과 공간은 물체의 영향 하에서 뒤틀림이 생기는 것이다.

게다가 일반 상대성이론의 방정식에서는, 블랙홀이나 웜홀이라고 하는 매우 기묘한 시공 영역의 존재도 성립할 수 있다. 시간여행이라는 주제에 가장 연관성이 높은 것은 시간적 폐쇄곡선의 사고방식이다. 

닫힌 세계선이 뒤틀린 시공을 지나면 그 결과로 시간이 같은 곳으로 돌아가 버린다.이 선을 걷고 있을 때는, 자신에게는 시간이 보통으로 진행되고 있는 것처럼 생각되지만, 종착점까지 오면, 출발하기 직전에 돌아오고 있다는 것을 깨닫는다.그래서 사실상 시간을 역행한 셈이다.시간여행의 발상은 대부분의 경우 이러한 루프가 이론적 근거가 되고 있다.

물리학자 상당수는 시간의 루프를 반물리학적이라고 보지만 그다지 단정적인 평가를 하지 않는 사람도 있다. 상대성이론의 틀에서 시간의 루프를 설명하는 방정식을 최초로 설파한 사람은 윌렘 반 스톰이라는 수학자로 1937년 이를 발표했다.

반스톰은 고밀도로 무한한 길이가 있는 원통이 아무것도 없는 공간에서 빠르게 회전하고 있다는 상황을 상정했다. 이러한 시나리오를 수학적으로 기술하면 원통 주위의 시공영역은 강하게 굴곡되어 시간의 루프가 형성되게 된다. 그러나 유감스럽게도 그런 원통은 물리적으로 존재할 수 없다. 이 주장에서는 시공이 우주 안에서 기묘한 성질을 발휘하고 있는 것이 되지만, 실제로는, 우주에 그러한 성질은 없다.

1949년에는 오스트리아 출신의 수학자 쿠르트 괴델 아인슈타인과 마찬가지로 미국으로 건너가 프린스턴 고등연구소에서 연구하다가 다른 가설 시나리오를 제시했다. 이것도 일반상대성이론에 따라 시간의 루프는 존재할 수 있다는 결론을 이끌고 있다. 그렇다고 해도, 당시나 지금이나 대부분의 물리학자는, 시간여행에는 논리적 모순이 있어, 그것이 실현성을 배제할 충분한 이유가 된다고 생각하고 있다.

시간여행이 있을 수 있다고 말할 수 있는 물리법칙의 이론적 샛길은 물리법칙의 이해가 진행되면 머지않아 소멸된다는 것이 대부분의 물리학자의 생각이다. 양자역학과 일반상대성이론이라는 두 가지 중요한 이론을 통합하는 양자중력의 통일이론이 출현한다면 아마 빠져나갈 길은 소멸될 것이다. 현재로서는 그런 만물의 이론은 존재하지 않고 지금도 연구가 계속 중이다.

1960년대부터 1970년대에 걸쳐 일반 상대성이론의 방정식을 풀려는 이론 물리학자에 의해 시간의 루프는 존재할 수 있다는 모델이 많이 발견되었다. 모두 회전하는 물체가 주위의 시공을 일그러뜨린다고 한다. 

가장 유명한 것은 수리물리학자 프랭크 티플러가 제시한 설이다. 티플러는 1974년 밴 스톰의 회전하는 원통 이론을 발전시킨 논문을 발표했다. 논문에 따르면 원통은 길이 100km, 지름 10km로 매우 특수한 고밀도의 물질로 이루어져 있어야 한다. 아울러 광속의 절반에 가까운 선속도로 원통 표면을 회전시켰을 때 축에 가해지는 중력으로 통이 평평해지지 않고 원심력도 상쇄하도록 경이로운 강도와 강성을 갖춰야 한다. 티플러는 이런 어려움은 근본적인 문제가 아니라 기술이 충분히 발전하면 극복되는 것이라고 밝혔다. 그 지적은 사리에 맞다.

남는 문제는 티플러 원통을 타임머신으로 만드는 방법이다. 논리로는 회전하는 원통에 다가가 그 주위를 몇 바퀴 돌면 지구로 돌아온 시점에서 과거로 돌아가고 있다. 몇 바퀴 돌았느냐에 따라 얼마나 시간을 거슬러 올라갈지가 결정된다. 원통 주위를 돌고 있는 동안에는 시간이 보통으로 진행되는 것처럼 생각되지만 원통 주위에서 시공의 뒤틀림이 생기고 그 뒤틀림 속에서는 시간이 역행한다. 비유하자면 나선 계단을 오르려고 하는데 한 계단 올라갈 때마다 층이 하나 낮아지는 상황이 벌어진다.

그런 스케일로 그렇게 거대한 물체를 만드는 것이 가능하다고 믿을 수 없을지도 모른다. 그러나 지금까지 만들어지지는 않은 티플러 원통이 우주 어딘가에 이미 존재하고 있을 수도 있다.원통의 존재를 놓고는 열띤 논의가 이뤄지고 있다.

예를 들면, 우주론으로 연구되고 있는 「우주 끈」은, 빅뱅에서 남은 물질로 구성되어 있다고 한다. 이 끈은 닫힌 루프 형태로도, 우주 전체로 뻗은 형태로도 존재할 수 있다. 원자보다 얇지만 밀도는 높고 얇이를 1mm로 계산하면 무게는 10억t의 100만 배가 된다.


(뒤편에 계속)