우리는 예전에 시간과 공간이 불변하는 실재라고 믿었다. 그러나 아인슈타인의 상대성 이론으로 시공간의 개념이 달라졌고, 이는 우리가 우주를 이해하는 데 큰 공헌을 했습니다. 광활한 우주를 여행하려면 빠른 속도가 무엇보다 우선이라 여겼지만, 속도가 극단적으로 빨라질 경우 우주 공간에서 시공간의 변화가 일어나리라는 예상을 하게 되었습니다. 이렇게 4차원 개념이 형성하면서 인간은 머나먼 우주를 여행하는 꿈을 만들어가고 있습니다. 이러한 과학적 상상력으로 인간은 웜홀, 블랙홀 같은 신기한 현상이 매우 가능하다고 믿게 되었습니다. '중력 도움'은 운동량의 교환과 관련이 있는데 우주선이 행성 주변을 지나갈 때, 행성의 영향으로 우주선의 속도가 변환되는 것입니다. 우주 로켓을 수백킬로미터 궤도에 올리려면 많은 양의 연료가 필요합니다. 그러니 지구에서 엄청난 양의 연료가 필요합니다. 그러나 인간은 10년 전 태양계 밖으로 우주선을 보낸 적이 있지만 그렇게 많은 연료를 쓰지 않고 보냈습니다. 어떻게 그게 가능했을까요?
목성은 '뉴 호라이즌스'호의 속도를 시속 만 5천 킬로미터나 더 빨라지게 해 주어, 다른 행성까지 가는 여정이 크게 단축됐습니다.
햇빛 에너지는 순수하고 입자가 작은 에너지입니다. 이것이 어딘가에 부딪히면 광자에서 나온 운동량이 부딪힌 물체로 전달됩니다. 그래도 우주에는 우주선의 속도를 늦추는 마찰이 없기 때문에, 여러 차례 빠른 속도까지 광자만으로 속도를 올릴 수 있습니다. 지금은 명왕성까지 많은 시간이 걸리지만 솔라 세일로는 2년 정도 걸릴 것입니다. 중력 도움을 받아도 우주선의 속도가 태양계를 벗어나기는 힘듭니다. 더 빨리 가게 하려면 현재 기술로는 불가능합니다. 새로운 기술 중 하나가 바로 솔라 세일입니다. 이것은 햇빛을 속도로 전환하는 장치입니다. 원리는 태양에서부터 오는 아주 미세한 빛의 입자인 '광자'를 모으는 일을 합니다. 솔라 세일을 이용한 우주선을 우주로 보낼 수 있다면, 엄청난 속도에 이를 수 있고, 태양계의 다른 먼 부분까지 갈 수 있습니다.
웜홀은 우주의 먼 곳을 연결하는 통로입니다. 공간의 작은 부분인데 들어가면 다른 공간으로 나오는 터널 같은 곳입니다.
이것은 수십억 광년이나 걸리는 우주를 이어주는 지름길입니다. 하지만 우주에 어떻게 구명이 생겨났을까요? 설명할 방법이 없습니다. 웜홀은 공간 자체를 통과하는 터널로 멀리 떨어진 두 영역을 연결합니다. 웜홀은 다른 시간으로 이어지기도 합니다. 바로 그 이유로 공상과학 영화에서 특별한 위치를 차지합니다. 그것은 웜홀이 시공간의 구조판을 통과하는 문이기 때문입니다. 아직 이론이지만, 웜홀은 공간이 다른 영역을 이어주고, 시공간의 다른 영역도 연결해 줄 수 있습니다.
웜홀을 아직 본 사람은 없지만, 웜홀이 존재할 수도 있다는 유일한 증거가 있다면, 웜홀의 존재가 우주의 움직임에 대한 현재의 이론이 깨지지 않는다는 것 정도입니다. 워프 항법은 이론적으로는 가능합니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 말하는 시공간이라는 것은, 우주에 존재하는 모든 것들이 구조판이기 때문에, 접거나 늘릴 수 있습니다. 워프 항법은 우리 앞의 공간은 무너뜨리고, 우리 뒤에 공간은 길게 늘여서, 움직이지 않고도 빛의 속도보다 빨리 여행을 할 수 있게 만드는 방법입니다. 하지만 실제로 가능한 것은 아닙니다. 시공간의 상대론적 특징 때문에 모든 가능성의 문이 열려있습니다. 웜홀 말고도, 엄청난 거리를 줄이기 위해 공간을 무너뜨리고 움직일 수 있다는 발상입니다. 우리는 이동할 때 공간을 지나 움직입니다. 우리는 그 자리에 있고 공간이 움직이면 어떨까요? 구부러진 공간이 정말 그렇게 작용한다 해도, 어떤 기계를 써야 우주의 여러 차원을 통제할지 상상조차 안 됩니다. 정상적으로 멀리 떨어진 두 점이 구멍을 통해 지름길로 연결됩니다.
이론적으로는 두 블랙홀을 붙이는 방식으로 웜홀을 만들 수 있습니다. 이때 한쪽 블랙홀은 시간이 반대로 흐르는 것으로 간주하기 때문에 화이트홀과 블랙홀을 붙인다는 게 더 정확한 표현입니다. 웜홀이 만들어진다고 해도 안정적이지 못하여 그 구멍이 짧은 시간 안에 닫히게 되며, 음의 에너지를 갖는 물질이 있다든지 하는 식으로 변형된 이론을 고려해야 자연스럽게 만들어지거나 안정된 상태로 유지되는 것이 가능하다. 미시적으로는 초기 우주 등 강한 양자 중력 효과를 고려하면 작은 크기의 웜홀도 생성될 수 있었다고 예상할 수 있다. 이 경우 우주론 연구 주제가 되기도 한다.
웜홀에 관심을 갖는 다른 이유는 시간 여행을 가능하게 한다는 것이다. 웜홀을 통해 이동하면 과거로 여행하는 것이 가능합니다. 그 이유는 경로에 따라 시간의 흐름이 달라지기 때문이다. 그 경로를 따라가면 자기 자신의 과거에 도착하게 된다.
웜홀은 우주에서 먼 거리를 가로질러 지름길로 여행할 수 있다고 한다. 일반 상대론에서 이론적으로는 가능하나 안정성 등의 문제가 있어 우주에 실제 존재하거나 인위적으로 만들어낼 수 있는지 등은 확실하지 않다.
아직은 이론적으로 존재할 뿐 실제로 우주에서 존재가 증명되지는 않았다. 화이트홀이 등장하게 된 이유는 웜홀의 존재 때문이다. 즉 웜홀은 우주 내의 통로로서 한쪽으로 들어가서 다른 쪽으로 나와야 하는데, 입구는 블랙홀이고 그 출구로서 화이트홀이 존재한다고 생각하게 된 것이다. 최근 영국의 우주 물리학자 스티븐 호킹은 블랙홀이 작을수록 화이트홀과 다름없는 강한 물질과 빛을 방출한다는 이론을 내놓았다.
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