시간여행이 정말 가능할까? 물리학이 말하는 것은 다음과 같습니다.

 

시간을 앞뒤로 뛰어넘을 수 있는 능력은 오랫동안 SF 작가와 물리학자들 모두를 매료시켜 왔습니다. 그렇다면 과거와 미래를 여행하는 것이 정말 가능할까요?

 

닥터 후(Doctor Who)는 틀림없이 시간 여행에 관한 가장 유명한 이야기 중 하나입니다. The Time Machine 및 Back to the Future와 함께 과거를 방문하고 미래로 항해하는 유혹과 역설을 탐구했습니다.

 

TV쇼에서 닥터는 시간과 공간 어디든 갈 수 있는 고급 우주선이 타디스를 타고 시간을 여행합니다. 유명하게도 Tradis는 물리적 공간에 대한 우리의 이해를 무시합니다. 외부에 보이는 것보다 내부가 더 큽니다.

 

시간여행은 Doctor Who의 기본이지만, 이 쇼는 결코 Tradis의 능력을 실제 물리학과 유사한 어떤 것에도 기반을 두려고 시도하지 않습니다. 이에 대해 불평하는 것은 이상할 것입니다. 닥터 후(Doctor Who)는 동화 같은 특성을 갖고 있으며 현실적인 공상과학 소설이 되기를 열망하지 않습니다.

 

하지만 현실 세계에서는 어떨까요? 타임머신을 만들어 먼 과거로 여행을 갈 수도 있고, 고조손주를 만나러 갈 수도 있을까요? 이 질문에 답하려면 시간이 실제로 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다. 이는 물리학자들이 확신하기 어려운 부분입니다. 지금까지 우리가 자신 있게 말할 수 있는 것은 미래로의 여행은 가능하지만 과거로의 여행을 엄청나게 어렵거나 전혀 불가능하다는 것입니다.

 

공간, 시간, 질량 및 중력에 대한 설명을 제시하는 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론부터 시작하겠습니다. 상대성 이론의 주요 결과는 시간의 흐름이 일정하지 않다는 것입니다. 상황에 따라 시간은 빨라질 수도 있고 느려질 수도 있습니다.

 

영국 요크 대학의 천체물리학자인 엠마 오스본(Emma Osborne)은 "여기서 시간 여행이 가능하고 과학적으로 정확하며 현실 세계에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 말합니다.

 

예를 들어, 속도로 여행하면 시간이 더 느리게 흐르지만 효과가 커지려면 빛의 속도에 접근해야 합니다. 이는 일란성 쌍둥이 중 한 명은 우주비행사가 되어 빛에 가까운 속도로 우주를 날아다니고, 다른 한 명은 지구에 머무르는 쌍둥이 역설을 낳는다. 우주비행사는 지구에 있는 쌍둥이보다 더 느리게 노화됩니다. 영국 옥스퍼드 대학교의 양자물리학자 블라트코 베드랄(Vlatko Vedral)은 "여행을 갔다가 돌아오면 쌍둥이 형제보다 정말 어리다"라고 말했다. 쌍둥이 스콧(Scott)과 마크 켈리(Mark Kelly)는 비록 빛의 속도에 가까운 속도는 아니었지만 우주에서 몇 달을 보냈을 때 스콧이 실제로 이 일을 해냈습니다.

 

마찬가지로 블랙홀과 같이 강렬한 중력장에 잇으면 시간이 더 느리게 흐릅니다. "지구의 중력이 발에 더 강하기 때문에 머리가 발보다 더 빨리 노화됩니다."라고 Osborne은 말합니다.

 

Doctor Who는 12대 닥터와 그의 친구들이 블랙홀에 가까운 우주선에 갇혀 있는 시즌 10 피날레 World Enough and Time의 설정으로 이것을 사용했습니다. 블랙홀에 가까운 우주선의 앞쪽에서는 뒤쪽보다 시간이 더 느리게 흐릅니다. 이는 우주선 후방에 있는 소규모 사이버맨 그룹이 의사의 관점에서 단 몇 분 만에 거대한 군대로 성장할 수 있음을 의미합니다. 중력이 시간에 미치는 영향은 영화 인터스텔라의 줄거리에도 등장합니다.

 

일상생활에서 이러한 상대론적 효과는 너무 작아서 눈에 띄지 않습니다. 하지만 이는 우리가 GPS(Global Positioning System)에 사용하는 위성에 영향을 미칩니다. "위의 시계는 지구상의 시계보다 빠르게 딸깍 소리를 내며" 끊임없이 재조정되어야 한다고 Osborne은 말합니다. "그렇지 않았다면 Google 지도는 하루에 약 10km(6마일) 정도 틀렸을 것입니다."

 

상대성이론은 미래로 여행이 가능하다는 것을 의미한다. 정확히 말하면 타임머신도 필요하지 않습니다. 우리는 빛의 속도에 가까운 속도로 여행하거나 강렬한 중력장에서 시간을 보내야 합니다. 상대적으로 볼 때 이 두 행위를 본질적으로 동일합니다. 어느 쪽이든, 당신은 상대적으로 짧은 주관적 시간을 경험하게 될 것입니다. 반면에 나머지 우주에서는 수십 또는 수백 년이 흐릅니다. 지금부터 수백 년 후에 무슨 일이 일어나는지 보고 싶다면 이렇게 하세요

 

대조적으로, 시간을 거슬러 올라가는 것은 훨씬 더 어려워 보입니다.

 

"그것은 가능할 수도 있고 불가능할 수도 있습니다."라고 캐나다 세인트 캐서린스 브록 대학교의 이론 물리학자인 Barak Shoshany는 말합니다. "지금 우리가 가지고 있는 것은 단지 지식이 부족할 뿐이고, 어쩌면 이론도 불충분할 뿐입니다."

 

상대성 이론은 과거의 시간 여행에 대한 몇 가지 옵션을 제공하지만 이번에는 훨씬 더 이론적인 것입니다 "사람들은 과거로의 시간 여행을 가능하게 하기 위해 시공간을 재배열하는 방법을 찾으려고 애쓰며 매듭을 짓고 있습니다."라고 캐나다 워털루에 있는 이론 물리학을 위한 페리미터 연구소(Perimeter Institude Theoretical Physics)의 이론 우주론자 케이티 맥(Katie Maci)은 말합니다.

 

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한 가지 방법은 폐쇄된 시간 곡선, 즉 스스로 순환하는 공간과 시간을 통과하는 경로를 만드는 것입니다. 그 길을 따라가는 사람은 결국 자신이 시작한 곳과 같은 시간에 자신을 발견하게 될 것입니다. 이러한 경로에 대한 수학적 설명은 논리학자인 Kurt Godel이 1949년 연구에서 발표했으며 다른 많은 사람들도 이를 따랐습니다.

 

그러나 이는 여러가지 이유로 유망한 접근 방식으로 보이지 않습니다.

 

Vedral은 "우리는 이것이 우주 어디에서 존재하는지 알지 못합니다."라고 말했습니다. "이것은 순전히 이론적인 것이고 증거는 없습니다."

 

또한 우리가 어떻게 그런 것을 만들 수 있는지 전혀 명확하지 않습니다. 미국 캘리포니아주 채프먼 대학교의 철학자 에밀리 애들럼은 "우리가 현재보다 훨씬 더 뛰어난 기술력을 갖고 있다고 해도 의도적으로 닫힌 시간 곡선을 만들 수는 없을 것 같다"라고 말했다.

 

가능하더라고 그렇게 하고 싶지는 않다고 Vedral은 말합니다. "당신은 말 그대로 똑같은 일을 계속해서 반복하게 될 것입니다."라고 그는 말합니다. 

 

Doctor Who는 닥터가 수십억 년 동안 같은 몇 시간을 계속해서 사는 고전 에피소드 Heaven Sent에서 비슷한 설정을 사용했습니다. 그러나 이것은 폐쇄된 시간 곡선을 포함하는 것이 아니라 텔레포터를 반복적으로 사용하는 것입니다.

 

비슷한 맥락에서, 1991년 연구에서 물리학자 Richard Gott는 두 개의 "우주 끈"이 반대 방향으로 서로 지나쳐 움직이는 거친 시나리오에 대한 수학적 설명을 제시했습니다. 그의 계산에 따르면 이것은 현 주위를 순환하는 닫힌 시간 모양의 곡선을 생성할 것입니다.

 

편리해 보이지만 우주 끈 쌍을 어디서 찾을 수 있을까요? 일부 이론에 따르면 이는 우주 초기에 형성되었을 수 있는 가상의 현상입니다. 아무것도 발견된 적이 없습니다. "우리는 우주의 끈이 존재한다고 믿을 이유가 없습니다."라고 Mack는 말합니다. 설령 존재하더라도 두 개가 평행하게 깔끔하게 움직이는 것을 발견하는 것은 놀라운 행운이 될 것입니다. "우리는 그런 일이 일어날 것이라고 믿을 이유가 없습니다."

상대성 이론에 의해 허용되는 것처럼 보이는 또 다른 현상이 있습니다. 바로 웜홀 입니다. 이론적으로는 시공간을 종이처럼 접을 수 있어 터널을 뚫고 넓게 분리된 두 지점 사이에 지름길을 만들 수 있습니다. "웜홀은 이론적으로 일반 상대성 이론에서 가능합니다."라고 Vedral은 말합니다.

 

게다가 웜홀이 존재한다면 그 수명은 엄청나게 짧을 것입니다. "종종 웜홀은 서로 결합된 두 개의 블랙홀로 묘사됩니다."라고 Osborne은 말합니다. 이는 웜홀이 엄청나게 강렬한 중력장을 갖는다는 것을 의미합니다." 그 자체의 중력으로 인해 붕괴될 것입니다."

 

실제 웜홀은 또한 현미경으로 아주 작을 것입니다. 사람이나 심지어 박테리아도 하나의 구멍에 맞출 수 없습니다.

 

이론적으로 이 두 가지 문제는 모두 해결될 수 있지만 이를 위해서는 "부정 에너지"라고 불리는 엄청난 양의 것이 필요합니다. 이것은 원자보다 작은 공간 내에서 아주 작은 규모로 발생할 수 있는 일입니다. 에너지 장은 전반적으로 긍정적인 에너지를 가져야 하지만 그 안에 부정적인 에너지의 작은 주머니가 있을 수 있다고 Osborne은 말합니다. "당신이 원하는 것은 국지적으로 부정적인 에너지의 작은 주머니가 확장되는 것입니다."라고 그녀는 말합니다. "어쨌든 그건 불가능할 것 같아요."

 

Vedral은 다음과 같이 요약합니다. "매우 현실적인 제안처럼 들리지 않습니다."

 

상대성 이론을 기반으로 한 시간 여행에 대해서는 이만큼입니다. 우주에 관한 또 다른 위대한 이론인 양자역학은 어떻습니까?

 

상대성이론은 인간이나 은하와 같은 큰 물체의 거동을 설명하는 반면, 양자역학은 매우 작은것, 특히 전자나 광자와 같이 원자보다 작은 입자를 설명합니다. 이러한 아원자 규모에서 물리학은 우리의 직관을 혼란스럽게 하는 방식으로 작동합니다.

 

양자 영역 연구에서 나타난 독특한 관찰 중 하나는 비국소성입니다.한 위치에서 입자 상태의 변화는 다른 곳에 있는 다른 "얽힌" 입자에 즉각적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 아인슈타인이 "원거리에서의 으스스한 작용"이라고 부르는 것입니다. 이것은 노벨상 수상 연구에서 "실험적으로 여러 번 보였다"라고 Adlam은 말합니다.

 

"많은 물리학자들은 비국소성(non-locality)의 가능성에 매우 만족하지 않습니다."라고 Adlam은 말합니다. 그 효과가 순간적으로 나타나려면 빛의 속도보다 빠른 속도로 정보가 이곳 저곳으로 전달되어야 하기 때문이다. 이것은 불가능하다고 가정됩니다.

 

이에 대해 일부 물리학자들은 실험을 해석하는 대안적인 방법을 제안했습니다. 이러한 해석은 비국소성을 제거하지만 그렇게 함으로써 시간에 대한 우리의 이해를 혼란스럽게 만듭니다.

 

"즉시 비국소적 효과를 갖는 대신 효과를 미래로 보낸 다음 어느 시점에서 방향을 돌려 과거로 돌아갈 것입니다."라고 Adlam은 말합니다. "순간적으로 보일 것입니다." 그러나 실제로는 그 효과가 미래로 여행을 갔다가 다시 돌아왔을 것입니다.

 

이 해석은 "역인과성"을 도입하는 것으로 보입니다. 즉, 미래의 사건이 과거에 영향을 미치는 것입니다. 이것은 우리의 직관에 어긋납니다. 우리는 과거에서 현재, 미래까지 일직선으로 일어나는 사건을 상상합니다. 이러한 독특한 양자 설정에서 정보는 미래로 이동한 다음 다시 과거로 돌아갈 수 있습니다.

 

가장 주목해야 할 점은 실험에 대한 이러한 해석이 보편적으로 받아들여지는 것과는 거리가 멀다는 것입니다. 많은 양자물리학자들은 역인과율을 도입하는 것은 비국소성을 도입하는 것만큼 불안하거나 더 나쁘다고 주장합니다.

 

소급인과율이 현실이라고 해도 우리가 타임로드가 되는 데는 도움이 되지 않을 것입니다.

Adlam은 "소급인과율은 시간 여행과 완전히 동일한 것이 아닙니다."라고 말합니다.

 

우선, 비국소성에 대한 우리의 관찰에는 모두 아주 작은 수의 입자가 포함되어 있습니다. 사람이나 심지어 종이처럼 작은 물체까지 확장하는 것은 엄청난 도전이 될 것입니다.

 

과거로 메시지를 보내는 것조차 불가능하다고 Adlam은 말합니다. "역인과성은 구현 방식에 따라 매우 구체적으로 숨겨져 있습니다."

 

이는 실험을 통해 생각해 보면 가장 잘 이해됩니다. Adam이 실험실에서 측정을 수행한다고 가정해 보겠습니다. 그러나 그가 얻는 결과는 Beth가 나중에 수행하는 측정에 따라 달라집니다. 즉, 미래의 Beth의 실험은 과거의 Adam의 실험 결과를 통제합니다. 그러나 이것은 Beth의 실험이 Adam이 행하고 본 모든 기록을 파괴하는 경우에만 작동합니다.

 

Adlam은 "어떤 의미에서는 과거에 신호를 보내는 것과 같지만 일어난 모든 기록을 모두 파괴해야 합니다."라고 말합니다. "그걸 실용화할 수는 없을 텐데, 성공해서 신호를 보낸 기록을 반드시 파기해야 하니까."

 

그래서 우리는 그것을 가지고 있습니다. 우주에 대한 우리의 현재 이해에 따르면 잠재적으로 미래로 여행할 수 있지만 과거로 여행하는 것은 전혀 불가능할 수 있습니다.

 

유일하게 남아 있는 허점은 이 이론의 기초가 되는 이론이 불안전하다는 것입니다. 상대성 이론과 양자역학은 우주의 특정 측면에서는 매우 잘 작동하지만, 또한 호환되지 않습니다. 이는 둘을 통합하는 더 깊은 이론이 필요하다는 것을 의미하지만 수십 년의 노력에도 불구하고 우리에게는 이론이 없습니다. "우리가 그 이론을 갖기 전까지는 확실할 수 없습니다."라고 Shoshany는 말했습니다.

 

물론, 이를 보는 또 다른 방법이 있습니다. 이 기사를 읽는 데 걸리는 시간은 이미 7분 정도 미래로 여행한 것입니다. 천만에요

 

출처: BBC 뉴스