웜홀

웜홀(wormhole)은 우주 공간에서 블랙홀(black hole)과 화이트홀(white hole)을 연결하는 통로를 의미하는 가상의 개념이다. 우주의 시간과 공간의 벽에 난 구멍에 비유할 수 있다. 웜홀에 관한 이론은 독일 태생 물리학자 아인슈타인의 상대성이론을 바탕으로 하고 있다.

 

웜홀은 빛까지도 빨아들이는 블랙홀과 그것을 뱉어내는 화이트홀의 연결 통로로 여겨졌지만, 화이트홀의 존재 여부가 불투명해지면서 블랙홀끼리 연결되는 순간이동 통로일 것이라는 설이 우세하다.

 

사과 표면에 있는 벌레가 사과의 정반대 편으로 가기 위해서는 표면을 따라가는 것보다는 사과를 파서 사과의 중심을 지나가는 쪽이 빠르다. 이때, 사과에는 중심을 관통하는 웜홀이 생기게 되는데, 이 웜홀은 사과의 표면보다 고차원적이면서 서로 다른 사과의 표면을 잇는 최단경로가 된다. 이와 유사하게, 시공간의 다른 지점을 연결하는 고차원 구멍이라는 의미에서 웜홀이라는 이름이 붙었다.

 

블랙홀이 회전하면 그 속도로 인해 회오리가 생기는데, 이것이 웜홀으로 변형된다. 시공간을 잇는다 해서 '시공간 통로'라고도 불린다. 지나가는 속도는 광속보다도 더 빠르고, 블랙홀로 빨려 들어가면 이 통로를 지나 화이트홀로 나온다고 알려졌다.

 

1907년 아인슈타인은 “관성력은 중력과 같다” 라는 것에 착안하여, 등가 원리라는 개념을 정립했다. 등가란 중력과 관성력이 “등가” 같은 가치라는 것이다. 이것을 확장시켜 아인슈타인은 1915년 일반상대성이론을 완성하였다. 이 이론은 질량과 관계된 중력에 의해 시공간의 휘어진다는 것을 설명하고 있다. 이 굽어진 공간에 대한 수학적인 이론으로 리만 기하학을 이용했다.

 

이 사실은 빛의 휘어짐이 그 증거가 될 수 있는데, 1919년 영국의 물리학자인 아서 에딩턴이 태양 주위의 공간이 굽어져 별빛의 휘어지는 현상을 관측을 통해 증명하였다. 일반 상대성이론의 가장 주목할 만한 점은 블랙홀을 이론적으로 예언하고 있다는 것이다. 블랙홀이란 강한 중력이 작용하고 있는 좁은 공간이 심하게 구부러져 빛이 다시 빠져나오지 못하는 지점을 뜻한다.

 

웜홀이란 아인슈타인 이론을 풀어서 블랙홀에 대한 해를 구할 때 자연스럽게 유도된다. 이것은 “아인슈타인-로젠의 다리”라고도 불린다. 처음에는 블랙홀과 화이트홀을 연결하고 있는 것이 웜홀이라고 추측되었으나, 화이트홀의 존재가 부정됨으로 인해 이제 그러한 의미로 쓰이진 않는다. 화이트홀이 부정되었다고 웜홀의 존재가 부정되는 것은 아니지만 이론에서 유도되는 웜홀의 해가 아주 순간적인 부분에서만 존재하므로 불안정하다는 해석이 지배적이었다.

 

하나 킵 손 박사는 보통과는 다른 특정한 조건이 있다면, 웜홀을 안정적으로 유지할 수 있고, 이것을 통해 우주여행을 할 수 있음을 밝혀내게 된다. 이후 이 이론은 더욱 발전하여, 웜홀의 한쪽 입구를 아주 빠르게 이동시켰다가, 다시 돌아오게 하면 “시간 지연 현상”이 발생하게 되어 웜홀을 통해 시간여행의 가능성까지 성립되게 되었다. 그러나 현재 이론적으로 웜홀은 10-33cm 정도의 크기에서 존재하는 양자 웜홀로 밖에 존재할 수 없으며 그것을 시간여행이 가능할 정도로 확대시키는 것에는 부정적이다.

 

최근 웜홀을 양자 얽힘 현상으로 설명하려는 시도가 있다. 줄리언 소너 박사는 끈이론의 맥락에서 쿼크 반쿼크 쌍이 생성될 때 이와 동시에 소립자 쌍을 연결하는 웜홀이 생긴다는 사실을 밝혀냈다. 이 결과는 중력이 양자 얽힘으로 나올지도 모른다는 내용을 내포하고 있으며, 우주의 기하라는 휘어짐은 곧 중력으로 기술되는 것과 마찬가지로, 웜홀에 의해 연결된 입자 쌍 사이의 얽힘과 같은 양자 얽힘의 결과일 수도 있다고 가정할 수 있다.

 

웜홀 여행은 정말 가능할까

웜홀은 영화 인터스텔라에서 묘사된 것처럼 어떤 은하와 은하 사이처럼 멀리 떨어진 두 지점을 빠르게 여행하는 것이 가능한, 시공간 구조를 관통하는 이론적인 터널이다.

당대 최고의 물리학자 가운데 한사람이면서 영화 인터스텔라의 책임 프로듀스인 킵 손은 미국의 우주과학 전문 뉴스 사이트인 스페이스 닷 컴과의 인터뷰를 통해 ‘웜홀 여행이 과학적으로 가능한지’에 대한 자신의 생각을 밝혔다.

킵 손은 아인슈타인의 일반 상대성이론에 의하면 웜홀은 우주 공간에 실제 존재할 수 있지만, 웜홀을 이용한 우주여행은 공상과학에서나 가능한 일이다고 말한다. 

상대성이론과 블랙홀, 웜홀에 대한 세계 최고의 권위자인 손은 “누구도 단정적으로 말할 수 없고, 그래서 정확히 알 수는 없다”라고 전제하면서도 “그러나 사람이 웜홀을 통해 여행하는 것은 물리학 법칙에 의해 불가능하다는 매우 강력한 암시들이 있고, 슬프고 불행한 일이지만 그럴 가능성이 농후하다”라고 설명했다.

 

손이 말하는 웜홀 여행의 가장 큰 장애물은 웜홀의 불안정성이다.

그는 “기본적으로 웜홀의 벽이 너무 빨리 붕괴되기 때문에 어떤 것도 통과할 수 없다”며 “따라서 웜홀을 통과하려면 웜홀을 지나는 동안 통로가 열린 상태를 유지할 수 있도록 해주는 어떤 것이 필요하다”고 말한다. 

웜홀의 통로를 열린 상태로 유지하려면 인력을 상쇄하는 어떤 것, 말하자면, 음에너지(negative energy)를 삽입하는 것이 필요하다는 것이 손의 설명이다 

음에너지는 양자효과를 이용해 연구실에서 이미 만들어졌다. 손은 그러나 “웜홀이 열린 상태를 유지할 수 있을 만큼 충분한 음 에너지를 얻는 것은 불가능하다는, 명확하진 않지만 강력한 암시가 있다”라고 말한다. 

더욱이 설령 여행이 가능한 웜홀이 존재하더라도 자연적으로 생겨날 가능성은 사실상 없고, 진보된 문명에 의해 만들어져야 한다는 것. 

이 점은 영화 인터스텔라 속에서 나오는 내용이다. 알 수 없는 존재들이 토성 근처에 웜홀을 건설했고, 주인공 쿠퍼가 이끄는 소수의 개척자들이 이 웜홀을 이용해 식량난으로 위협받는 지구를 대신할 새로운 행성을 찾아 다른 은하로 여행을 떠난다는 부분이다. 

손이 쓴 책 ‘항성 간 과학(The Science of 'Interstellar)'에는 인터스텔라에 나오는 중력에 의한 시간 지연, 초질량 블랙홀 근처의 궤도를 도는 외계행성 등의 과학 이론이 자세히 설명돼 있다. 

웜홀은 지난 수십년간 많은 공상과학 소설의 소재가 돼왔다. 흥미롭게도 손은 이 소설들 가운데 잘 알려진 ‘컨택트(Contact)’가 과학자들이 실제 웜홀의 가상적인 구조를 보다 잘 이해하려고 시도하는데 도움을 주었다고 말한다. 

그는 “웜홀 물리학에 대한 현대적 연구는 대개 영화 ‘컨택트’에서 기인한다”라고 말했는데 영화의 원작 소설인 ‘컨택트’는 저자 칼 세이건(후에 저명한 물리학자가 됨)이 손의 자문을 얻어 1985년 저술한 책이다. 

 

인류의 과학이 웜홀을 만들어 시공간 여행이 가능하게 할 수 있을까 아니면 우리아닌 다른 외계 문명이 웜홀을 만들 수도 있겠지만 어쨌든 웜홀을 이용한 여행이 가능한 시기는 엄청나게 먼 미래에 가능할 것으로 생각된다.