타임머신은 정말 개발될까?

A. 타임머신이란?

닫힌 시간 곡선은 시간고리(time loop)를 이용하여 과거나 미래로 이동할 수 있게 해주는 장치라고 정의할 수가 있습니다.

B. 시간여행의 가능성은?

시간여행에 관한 이론들은 여러 가지모델로 수학적으로는 증명되어 있지만 자연이 그것을 받아 들일런지와 인간의 기술이 그것을 수행할 수 있는지의 여부가 또 남아 있습니다. 특히 모든 다른 이론들을 포함하여서는, 과거로의 시간여행은 물리학적으로나 수학적으로 그 불가능성이 증명되지 않았기 때문에 이론 물리학자들이 연구를 하고 있습니다.



C.연구자들은?

유명한 분들로는 킵 손, 짐 알칼릴리, 폴 데이비스, 데이비스 도이치, 톰 로만, 고트 등의 사람들입니다.

본인은 폴 데이비스의 타임머신(강주상 옮김)이라는 책과 짐 알칼릴리 가 쓴 “블랙홀, 웜홀, 타임머신 (이경아 옮김)”의 내용을 요약해 보았습니다.



D.시간여행 연구들



□1865년 영국의 수학자 찰스 도지슨(Charles Dodgson)

고차원의 기하학과 평행우주를 주제로 한“이상한 나라의 엘리스” 저술(필명 Lewis Carrol)



□1916년 슈바르츠쉴트

정확한 구형대칭과 진공의 가정아래에서 별 밖의 진공에서의 중력장을 설명하는 아인슈타인 방정식의 풀이를 발견하였다.



□1917년 아인슈타인

정지우주 가정아래에서 반중력을 일반상대론에 도입하는 자칭 인생최대의 실수를 범했다.

cf)시간과 공간이 평평함을 의미하는 영점에너지는 전혀 중력장이 없는 상태이다. 이 영점에너지보다 낮은 에너지가 음의 질량을 갖는 음의 에너지이며 이 물리 상태는 반중력화(척력장)의 상태이다. 음의 에너지는 반중력화 한다.



□1935년 아인슈타인-로젠 다리(웜홀)구조를 발견하였다. 우리우주블랙홀--아인슈타인-로젠다리--화이트홀 이 개념에서, 화이트홀은 상당히 불안정한 반사건의 지평선으로 둘러싸여 있어야하고, 곧 보통의 지평선으로 변화되어야하기에, 전체적으로 매우 불안정하다.



□1937년 반 슈토쿰

일반상대론에 근거를 두고 무한히 긴 원통이 빛의 속도에 가깝게 회전할 때 원통위의 관측자는 시작 때보다 더 먼저 출발지점에 도착할 수 있음을 증명했다.“공간에서 닫힌곡선은 시간에서도 닫힌곡선(시간루프)이 될 수 있다”--역주: 시간을 거꾸로 가게 하는 대신에 공간여행을 함으로써 과거에 이르는 것이 영화 타임머신의 기계와 다르다는 것을 주의해야 합니다.



□1947년경 프린스턴 고등연구소의 쿠르트 괴델(Kurt Go¨del)

우주전체가 회전한다는 가정아래에서 우주공간에서 과거로 돌아가는 공간궤도의 탐색이 가능하다는 수학이론을 입증하는 논문을 발표하였다. 아인슈타인의 일반상대성 이론 방정식에 있는 시간루프에 대한 풀이를 발견하였다.



□1948년 헨드리크 카시미르

양자진공의 한 효과로 음의 에너지를 만드는 방법을 논문으로 제시하였고 1958년 이후 실험실에서 여러 번 입증되었다.



□1960년 세케레스와 크루스칼

웜홀과 연관한 가상적인 제 2 우주(다른 우주)의 수학적 모델 제시하였다.



□1960년대 로저 펜로즈

블랙홀의 특이점(시간/공간/시공간의 끝머리)에 관한 우주검열(cosmic censorship)가정 논문발표. “알몸 특이점은 없다”.

□1963년 뉴질랜드 수학자 로이 커(Roy Kerr)

회전하는 블랙홀의 해 발견--블랙홀 밖 정지상태로 자전하는 시공간 성질만 설명(옥스퍼드 John Miller)



□1974년 프랭크 티플러

초고밀도의 원기둥 통을 빛의 속도의 절반으로 돌린다는 가정아래에서 시간여행이 가능할 수 있음을 입증하는 논문을 발표하였다.



□1970년대 중반 폴 데이비스와 풀링

움직이는 거울 효과를 연구

“1차원 모델에서 음 에너지가 있는 양자진공은 한 개의 반사표면이 빨리 움직일 때 그 반사표면을 통해 squeeze한 고출력 레이저의 양의 에너지와 함께 생겨 날 수 있다.” 3차원 공간의 적용여부는 모름.



□1974년 스티븐 호킹

블랙홀 주변에 음의 에너지가 존재한다는 추정을 함.



□1975년 윈루와 풀링과 폴 데이비스

단순화된 2차원 수학모델로 블랙홀 주변에 음의 에너지가 존재한다는 추정을 확인함.ꡕ

□1980년대 킵 손, 마이클 모리스(Michael Morris), 그리고 칼세이건

회전하는 블랙홀의 특이점을 횡단하는 방법으로 유연한 2차원 시공간개념을 도입하여 서로다른 두 지점 A, B를 연결하는 웜홀을 통과하는 방법으로서의 시간 여행의 가능성을 제시하는 논문을 발표하였다.



□1991년 리처드 고트Richard Gott)

고트는 우주끈을 주제로 한 연구에 대해, 우주끈이 회전해야한다는 것을 피할 한가지 방법을 제시하였고, 서로를 향해 평행으로 빠르게 움직이는, 무한할 필요가 없는 2개의 끈이 어떻게 회전하는 끈과 같은 효과가 있는지와 그러한 끈 주위에서 시간의 고리(closed timelike curves)가 어떻게 형성되는지를 증명하였습니다. 2개의 끈 주위에 형성된 닫힌 시간곡선은 언제든 블랙홀을 만들 수 있으며, 이러한 블랙홀은 사건의 지평선에 의해 감추어 진다고 하였습니다.




그러나 이것은 현실적으로 어렵습니다. 왜냐하면 끈들이 지날 때 평행하게 지나야 한다는 것과 끈이 갖는 전체질량중의 일부가 "허수"이어야만 한다는 것과 사건의 지평선이 블랙홀을 감추므로 우리가 켤코 그것을 발견할 수 없다는 문제(우주끈 존재에 대한 실험적 확증이 아직 없는이유가 됨)가 있습니다. 어쨌든 코트는 우주끈(cosmic string)을 이루는 특이 물질로 압력을 가정함으로서, 우주끈 내부의 음의 압력(장력)을 도입하고, 그로 인한 반중력화와 우주끈의 직선 부위에서의 질량에너지에 의한 중력을 상쇄시키되, 우주끈 부근의 공간을 굽힌다는 특성을 통하여 우주끈 주위에서 두 개의 평행선은 결국 만나게 되고, 두개의 평행한 우주끈이 거의빛의 속도로 서로 멀어지면 우주끈 주위에 루프를 만들어서 시간적으로 과거 여행이 가능한 영역이 생기리라는 것을 수학적으로 증명하였던 것입니다.

□1992년 스티븐 호킹

스티븐 호킹은 그의 논문에서“연대기 보전 가설”을 주장하였습니다.

“연대기 보전 가설” “The laws of physics do not allow the appearance of closed timelike curves.” “ 물리학의 법칙들은 닫힌시간고리들의 출현을 허용하지 않는다” 곧 비유컨데 자연은 과거로의 시간여행을 막을 수 있는 장치를 가지고 있어서, 역사가들이 연대기를 안전하게 보전 하도록 하는 자연현상이 일어난다는 것입니다. 여기서 주의할 것은그의 초록중 This shows that one cannot create closed timelike curves with finite lengths of cosmic string 입니다. 시간고리를 허용하는 시공간의 영역과 과거와 미래가 섞이지 않는 보통시공간 영역의 연결 영역의 공유영역을 연대기 한계라고 합니다.



우주끈(cosmic ring)은 호킹이 논문을 내기 1년전인 1911년 Richard Gott(리처드 고트)가 우주끈을 주제로 한 연구에대한 결과와 관련된 것 입니다. 호킹은 This shows that one cannot create closed timelike curves with finite lengths of cosmic string으로 고트의 주장에 대한 문제에 확증을 준 것 입니다.양자로 행동하는 입자가 갖고 있는 고유한 불확정성 때문에 보통시공간 영역의 끝머리인 연대으며, 그 외 반중력의 불안전성, 시간 여행에 필요할 정도의 음에너지의 기술적인 어려움, 양자장의 수학적으로 발생하는 반중력 상태에 대한 한계가 무엇인지에 대한 수학정리의 부재, 웜홀내의 특이물질과 보통물질과의 상호작용에 의한 시간여행의 어려움이 있습니다.



□다른 물리학자들

시간 고리를 갖고 있는 자전하는 중성자 별(시간여행에 필요한 속도로 거의 자전(1000분의 1초에 1회전)하는 중성자 별 이미발견)이나 사건의 지평선이 제거된 고리형 특이점만 가진(naked singularity)블랙홀주위를 돔으로써 가능하다는 것을 이론적으로 제시하였다. 그러나 이런 블랙홀을 만들 수 있는지의 여부와 기술은 별개의 문제다.

Black hole with naked singularity: 극소형의 경우 호킹복사를 이용, 초중량의 비구형의 경우 블랙홀 붕괴할 때 형성 가능성 증명.



□짐 알킬 릴리“블랙홀, 웜홀, 타임머신 (이경아 옮김)”

**현대과학은 시간이 흘러간다는 느낌(심리적 시간의 화살)이 어디에서 비롯되어 있는지-물리 법칙에 중요한 무엇인가가 빠져 있는지 아닌지 현재로선 알 수 없음-아직 설명할 수 없다.



**열역학 제2법칙은 객관적이고 보편적인(심리적 시간의 화살과 같은 방향을 갖는가?)열역학적 시간의 화살을 제공한다.



**양자측정화살(quantum measurement arrow)-양자계를 대상으로 탐색하면 양자의 응집력이 주위 환경 속으로 빠져나가고 그 과정 속에서 양자계의 엔트로피가 증가한다-이 있다.

**CP-LEAR 물질/반물질 화살(반물질이 물질로 전환될 가능성이 더 크다. 1998년 CERN 가속기 실험확증)이 소립자 수준의 시간의 화살을 제공한다.



**호킹은 그의 주장-우주의 최대 팽창상태가 최대의 엔트로피를 의미(즉 우주 수축단계는 팽창 단계의 시간적 반전을 뜻함)한다-이 틀림을 정직히 인정하였다. 곧, 우주는 대격돌 순간의 낮은 엔트로피 상태로 돌아갈 필요가 없으며 시간의 화살도 방향을 바꿀 필요가 없다는 사실을 알았습니다.



□폴 데이비스



그는 시간여행에 필요할 논리적 접근을 타임머신의 제작에 필요한 논리적 접근(collider-->imploder--->inflator--->differentiator)으로서 비교하면서 연구의 방향과 문제점을 제기하고자 하였다.



1. 정상적인 시공간 영역에서 킵 손의 유연한 2차원 시공간구조의 웜홀을 어떻게 만들 수 있는가? 정상적인 시공간에서의 특이점으로 웜홀을 만드는 것은 알몸뿐인 특이점이 된다. 우주검열(cosmic censorship)가정에 모순 된다. sol) 양자진공을 도입한다.



2. 플랑크 시간(10의 -43승 초)간 플랑크 길이(10의 -35승 미터)을 도입한 시공간 거품에서의 양자웜홀(가상웜홀)은 특이점의 난관을 막을 수 있는가? sol)있다. 위상수학적 변화가 모든 것이 불분명한 양자의 모호성(하이젠 베르그의 불확정성 원리 때문에 가상 웜홀은 항상 존재한다)에 파묻히기 때문이다.



3. 그럼 실제의 웜홀을 어떻게 만들 것인가?

⑴시공간 거품에 100억 주울의 에너지를 만들어야 한다.

sol)가능하다면 미국 브룩헤이번 국립 연구소의 중이온 입자 가속기로 만들어 내는 방식의 쿼크-글루온 플라즈마 에너지를 이용한다.



⑵플랑크 온도(10의 32승 도)에 도달하는데 필요한 압축을 어떻게 할 것인가?

sol)수소폭탄을 목표물 주위에 쌓아서 쿼크-글루온 플라즈마를 내파(내파된 밀도는 세제곱 미터당 10의 106승 Kg)시키기에 충분한 자기장(불안정함)을 얻을 수 있을지 모른다!.



⑶에너지가 물질로 변환되는 현상을 막기 위하여 안정한 자기장이 필요하지 않은가?

sol) 이론상으로 예측된 힉스 장을 이용하며 태양계크기만한 입자가속기를 만들어 사용한다!.



⑷ 웜홀의 크기 확장을 위해 반중력 성질이 있는 특이물질이 필요하지 않는가?

sol) 1차원 모델에서 음 에너지가 있는 양자진공은 한 개의 반사표면이 빨리 움직일 때 그 반사표면을 통해 squeeze한 1조 메가와트 고출력 레이저의 양의 에너지와 함께 생겨 날 수 있다. 거울회전기를 통해 마이너스 에너지 부분만 웜홀로 보낸다.

그러나 3차원 공간의 적용여부는 아직 모르지 않는가?



⑸ 이론물리학자인 매트 비서-매트 비서: 웜홀 분류(Lorentzian Wormhole 문>영구적,일시적 종> 우주간,우주내 아종>거시적,미시적 변종)-의 계산은 지름 1미터의 웜홀을 만들려면 목성의 질량에 해당하는 음의 에너지가 필요하다고 하였다. 이렇게 하는 것은 우주의 나이보다 훨씬 시간이 더 많이 걸리지 않는가?



⑹ 웜홀은 시간여행을 위하여 적당한 통과시간으로 열려있어야 하지 않는가? 특이물질에 대한 기술적 제약조건은 어떤가?



⑺ 웜홀의 입구와 출구 사이에 시간차를 확보하는 방법은?

sol)기술적인 불가능성은 둘째로 하고, 웜홀의 출입구 A, B 중 하나 A를 빛의 속도에 가깝게 가속기내에서 운동시킨다! 또는 기술적인 불가능성은 둘째로 하고, 하나 A를 중성자 별 부근으로 데리고 갔다가(이 경우 B의 시간은 A의 시간보다 미래이므로, A에서 B로 웜홀에 뛰어들면 과거로 가게되고 정상적인 공간으로 다시 A로 돌아오면 떠날 때 보다 먼저 도착할 수 있다.



 B에서 A의 반대방향으로 여행하면 미래로 뛰어 넘을 수 있다.) 다시 가져온다! 이러한 웜홀 타임머신 자체는 시간적으로 움직이지 않는 우주의 한 구조물로서 시간여행자 자신이 공간여행을 함으로써 웜홀 제작시기 이후의 과거범위에 이르게 된다는 특징이 있다.



⑻웜홀의 한 입구를 다시 가져올 때 발생하는 문제점들은(무한대의 에너지 복사 문제/사건의 지평선을 특이점 고리에 충돌하지 않고 안전하게 통과해야할 조건) 어떻게 할 것인가?

sol)웜홀의 입구를 서로에게 가까이 가져가는 대신, Tom Roman의 2개 또는 수많은 웜홀을 이용한 고리형 타임머신을 이용한다.



E.패러독스는?



시간 여행이 불가능하다는 수학적인 논리를 증명한 사람이 아무도 없기에 인과율의 고리를 보전하는 범위 내에서 시간여행의 연구는 계속되고 있는데, 정보신호를 시간적으로 거꾸로 보내는 것은 가능한가?

sol) 실험적으로 발견되지 않은 수학적인 가상적인 입자 타키온은 허수질량을 가지고 있기 때문에 보통물질과 상호작용을 하지 못함으로 정보교환은 불가능하다. 오히려 소립자들을 과거로 보내면 과거의 자신과 충돌하는 과정이 물리학 법칙에 어긋나지 않는다는 킵 손의 입증을 주의 깊게 볼 일이다.물리학적으로 과거로의 시간여행은 곧 미래가 이미 존재한다는 것을 뜻함이 알려져 있습니다. 그러면 미래로부터 온 시간 여행자들이 어디에 있는가?가능한 답변.



ⓐ과거로의 시간여행은 아직까지 발견되지 않은 물리학의 여러 법칙 때문에 금지되어 있기 때문이다.(호킹의 연대기 가설은 우주끈에 관련된 것임)



ⓑ블랙홀이나 웜홀처럼 이미 오래 전부터 우주 공간에 존재해 온 자연 발생적인 타임머신이 발견되지 않는 한 타임머신은 그것이 가동되는 순간까지만 과거로의 시간 여행을 허용한다. 는 것이 알려져 있습니다. 23세기에 타임머신이 제작되었다면 21세기인 현재로 올 수가 없습니다.(폴 데이비스)



ⓒ과거로의 시간여행이 가능하다 할지라도, 인과율에 의한 모순ꡔno cholice paradox (무선택 역설)과 이보다 더 난해한 something-from-nothing paradox(무에서 나온 유의 역설)ꡕ을 피하는 다중세계해석에 따라 우리 우주는 미래의 방문객들이 찾아가는 우주들 중의 하나가 아닐 수 있다.(짐 알킬릴리)



ⓓ자연적 또는 인공적 타임머신에 의한 과거로의 시간여행이 가능하고 우리 우주가 미래의 방문객들이 찾아가는 우주들 중의 하나일지라도, 확률적으로 그들이 찾아갈 수 있는 과거로의 시간들이 우리시대보다 더 많이 존재한다.

ⓔ미래로부터의 시간 여행자들이 우리들 곁에 와 있을지라도, 그들을 발견할 가능성에 한계가 있다.



F. 초광속은 중요한가?

시간여행을 위하여 꼭 빛보다 빠르게 움직여야 하는 것이 유일한 방법이 아님은 이미 수학적으로 증명되었습니다.특수상대성이론은 보통물질이 갖는 속도의 최대값으로서 광속을 제시하고 있습니다. 양의 질량을 갖는 물질이든 정지질량이 영인 광자이든 음의 질량을 가진 물질이든 진공속에서 광속을 넘어설 수가 없는것입니다. 이 이론의 다른 의미는 진공에서 빛보다 느리게 움직이는 물질은 빛보다 빨라질 수 없으며, 빛 보다 빠른 물질이 있었다면 빛보다 느려지지 않는 다는 것을 뜻하는 것입니다.



실험적으로 발견되지 않은, 빛의 속력보다 빠른 수학적인 가상적인 입자 타키온은 허수 질량을 가지고 있기 때문에 양 또는 음의 질량을 갖는 물질과 상호작용을 하지 못함으로 정보교환이 불가능하며(그래서 관측이 불가능합니다), 에너지를 잃어버리면 속도가 빨라지며 자신의 에너지를 완전히 잃어버렸을 때 무한대의 속도로 움직이는 특징을 가져야합니다. 이것은 투명한 매질 속에서 입자가 거기서의 빛의 속도보다 빠르게 움직임으로써 푸르스름한 빛을 방출하는 "체렌코프 복사"(실험으로 입증됨)와는 다른 의미를 갖습니다. 어쨌든 타키온의 경우 시간이 거꾸로 흐른다는 것은 가능한 일이지만, 수학의 세계에서나 일어나는 사색과도 같은 것이므로 이것을 실험으로 보일 수 가 없는 것 같습니다. 특수상대성이론은 상대적 미래가 항상 존재한다는 것을 제시하였고 실험으로 입증되었습니다.



특히 과거로의 시간여행은 물리학적으로나 수학적으로 그 불가능성이 증명되지 않았기 때문에 이론 물리학자들이 연구를 하고 있습니다. 시간여행에 관한 이론들은 여러 가지로 수학적으로는 증명되어 있지만 자연이 그것을 받아드릴 런지와 인간의 기술이 그것을 수행할 수 있는지의 여부가 또 남아 있습니다.


그러므로 불가능하다는 용어보다 현대물리학의 답은 아직 모른다 내지는 어렵다로 바꾸는 것이 적절하다고 봅니다.

타임머신은 정녕 언제 만들어질까? 타임머신 회의론자인 스티븐호킹은 언젠가 이렇게 말했다."만일 미래의 누군가가 타임머신을 만들었다면 나같이 유명한 사람을 만나러 과거로 틀림없이 여행할 텐데 나는 아직까지 미래에서 온 사람을 만난적이 없다." 그러나 아무리 문제가 많을지라도 우리는 여전히 타임머신을 꿈꾼다. 앞에서 언급한 바와 같이 미래에 타임머신이 만들어지기 위해서는 반드시 사전에 해결해야할 문제들이 산적해 있다. 그중 가장큰 문제인 인과율을 물리학적으로 처리한다는 것은 쉽지 않다. 인과율을 거스리는 일은 절대로 발생하지 않을 지도 모른다. 시간여행 연구는 상당한 물리학적인 지식을 필요로하고 통일장 이론같은 더욱 발전된 물리학 이론을 요구한다. 더욱이 이를 해결하려는 연구과정에서 우리가 이해하지 못했던 자연의 법칙을 깨닫게 될지도 모른다는 점에서 이것은 충분한 가치가 있다고 믿는다. 우리시대의 과학적 연구대상의 하나인 시간여행 연구는 미래의 첨단과학을 여는 열쇠임에 분명하다.