우주에서의 속도 - 광속을 넘어서

 

 

최근까지도 인간은 시간과 공간을 불변하는 실재라고 믿었습니다. 그러나 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)의 상대성 이론으로 시공간 개념이 완전히 달라졌고, 이는 우리가 우주를 이해하고 우주 탐험을 발전시키는 데 큰 공헌을 했습니다. 끝을 알 수 없는 우주를 여행하려면 무엇보다 빠른 속도가 우선이라 여겼지만, 이제는 우주 공간에서 속도가 극단적으로 빨라질 경우 공간과 시간의 변화가 일어나리라는 예상을 하게 되었습니다. 또한, 이러한 과학적 상상력으로 인간은 블랙홀, 워프 항법, 웜홀 같은 신기한 현상이 실제로 관측되거나 실행되지는 않았지만 충분히 가능하다고 믿게 되었습니다. 이렇게 4차원 개념이 형성하면서 인간은 머나먼 우주를 여행하는 꿈을 조금씩 현실로 만들어가고 있습니다.

 

 

빛의 속도보다 빨리 이동하는 법은 무엇일까?

  

 

중력도움 우주 왕복선을 수백 킬로미터 궤도에 올리려면 1,360 톤 이상의 연료가 필요합니다. 그러니 지구에서 수백만 내지 수십억 킬로미터를 가려면 엄청난 양의 연료가 필요합니다. 그러나 인간은 10년 전 태양계 밖으로 우주선을 보낸 적이 있지만 그렇게 많은 연료를 쓰지는 않았습니다. 어떻게 그럴 수 있었을까요?   행성들을 이용해서 ‘중력 도움’이란 걸 받았기 때문입니다. ‘중력 도움’은 운동량의 교환과 관련이 있는데 우주선이 행성 주변을 지나갈 때, 행성은 그 운동량의 일부를 넘겨주고, 그것이 우주선의 속도로 변환되는 것입니다. 행성의 중력이 우주선에 미쳐, 순간 우주선을 잡았다가, 더 빠른 속도로 멀리 밀어냅니다. ‘중력 도움’은 행성을 지나가는 우주선의 속도를 높여줍니다. 목성은 ‘뉴 호라이즌스’ 호의 속도를 시속 만 5천 킬로미터나 더 빨라지게 해 주어, 명왕성까지 가는 여정이 3년이나 단축됐습니다.

  

솔라 세일 중력 도움을 받아도 우주선의 속도가 태양계를 벗어날 만큼 빨라지지는 않습니다. 더 빨리 가게 하려면 새로운 기술을 개발해야 합니다. 그중 하나가 바로 솔라 세일이라는 것인데 햇빛을 속도로 전환하는 장치입니다. 원리는 돛단배와 비슷하지만, ‘솔라 세일(solar sail)’은 바람을 모으는 게 아니라, 태양에서부터 오는 아주 미세한 빛의 입자인 ‘광자’를 모으는 일을 합니다.   햇빛 에너지는 순수 에너지입니다. 입자가 작은 순수한 에너지입니다. 이것이 어딘가에 부딪히면 광자에서 나온 운동량이 부딪힌 물체로 전달됩니다. 하지만 아주 극소량만 전달됩니다. 그래도 우주에는 우주선의 속도를 늦추는 마찰이 없기 때문에, 극소량의 광자만으로도 수차례 시속 수십만 킬로미터까지 속도를 올릴 수 있습니다. 지금은 명왕성까지 10년 걸리지만 솔라 세일로는 2년 걸릴 것입니다.

 

솔라 세일을 이용한 로켓을 우주로 보낼 수 있다면, 인간은 엄청난 속도에 이를 수 있고, 그럼 태양계의 다른 먼 부분에 대해 알아낼 수 있을 것입니다.

 

 

 

중력 도움은 운동량의 교환과 관련이 있는데 우주선이 행성 주변을 지나갈 때, 행성이 그 운동량의 일부를 넘겨주고, 그것이 우주선의 속도로 변환되는 것이다.

솔라 세일은 태양에서부터 오는 아주 미세한 빛의 입자인 ‘광자’를 모으는 장치로, 광자에서 나온 운동량을 우주선의 속도로 변환한다.

 

 

 

우주의 서커스, ‘웜홀’ 이 넓고 넓은 우주에서, 아주 먼 외계의 영역에 갈 만큼, 인간이 빠르게 우주를 비행할 날이 올까요? 우주의 가장 먼 곳에 가서 깃발을 꽂을 가능성은 과연 있을까요? 그 가능성 중 하나는 우주의 서커스입니다. 공간을 꿰뚫고 있는 이론상의 통로인, ‘웜홀’입니다.   웜홀은 우주의 아주 먼 두 곳을 연결하는 가느다란 관입니다. 터널 같고, 공간의 작은 부분인데 들어가면 다른 공간으로 나옵니다. 이것은 수십억 광년이나 걸리는 우주의 양끝을 이어주는 지름길입니다. 하지만 우주에 어떻게 구멍이 생겼는지는 설명할 길이 없습니다. 웜홀은 공간 자체를 통과하는 터널로 아주 멀리 떨어진 두 영역을 연결합니다. 바로 그 이유 때문에 웜홀은 공상과학 소설에서 특별한 위치를 차지합니다. 웜홀은 다른 시간으로 이어질 수도 있습니다. 그것은 웜홀이 시간과 공간의 구조판을 관통하는 문이기 때문입니다.

 

 

아직 이론이긴 하지만, 웜홀은 공간의 다른 영역을 이어주는 것은 물론이고, 시간의 다른 영역도 연결해 줄 수 있습니다. 웜홀을 본 사람은 없습니다. 웜홀이 존재할 수도 있다는 유일한 증거가 있다면, 웜홀이 있어도 우주의 움직임에 대한 현재의 이론이 깨지지 않는다는 것 정도입니다.

 

   

워프 항법 시공의 상대론적 성격 때문에 모든 가능성의 문이 열리고 있습니다. 아무리 이론적이라 해도 말입니다. 웜홀 말고도, 엄청난 거리를 줄이기 위해 공간을 무너뜨리고 움직일 수 있다는 발상은 또 있습니다. 바로 이것이 ‘알큐비에르 항법’, 또는 ‘워프 항법’을 뒷받침하는 이론입니다. 우리는 이동할 때 공간을 지나 움직입니다. 그럼 우리 대신 공간이 움직이면 어떨까요?   이론적으로는 가능합니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 말하는 시공이라는 것은, 우주에 존재하는 모든 것들이 들어있는 구조판이기 때문에, 돌리고, 꼬고, 접고, 늘릴 수 있습니다. ‘워프 항법’은 우리 앞에 있는 공간은 무너뜨리고, 우리 뒤에 있는 공간은 길게 늘여서, 움직이지 않고도 빛의 속도보다 빨리 이동할 수 있게 만드는 방법입니다. 하지만 이론적으로 가능하다고 해서 ‘워프 항법’이 실제로 가능한 것은 아닙니다.

 

 

구부러진 공간이 정말 그렇게 작용한다 해도, 어떤 기계를 써야 우주의 여러 차원을 통제할지 상상조차 안 되기 때문입니다.

 

 

아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 말하는 시공이라는 것은 돌리고, 꼬고, 접고, 늘릴 수 있다.
워프 항법은 우리 앞에 있는 공간은 무너뜨리고, 우리 뒤에 있는 공간은 길게 늘여서,
움직이지 않고도 빛의 속도보다 빨리 이동할 수 있게 만드는 방법이다.

 

 글·영상/사진 제공 내셔널지오그래픽채널

 

"I Like 스페이스 : 우주의 신비- 광속을 넘어서(HD)"

우리가 알고 있는 우주에서는, 속도가 중요합니다. 고속 도로를 자동차로 달리든 멀고 먼 우주로 날아가든

우리는 항상 더 빨리 가려고 합니다. 이런 속도의 속성을 이해하면 우주의 미스터리를 더 많이 이해할 수 있게

됩니다. 하지만 우주에서 속도를 내다보면 이상한 곳으로 들어갈 수도 있습니다. 본 프로그램에서는 공상과학

영화를 실제 과학 현상과 비교 분석해 보고 현실과 다른 게 무엇인지 알아봅니다. 그리고 속도계를 그 어느

때보다 더 빠르게 돌려 봅니다.