블랙홀의 반대 개념, 웜홀
웜홀, 혹은 과학적으로 알려진 아인슈타인-로젠 브리지는 오랫동안 과학자들과 과학 소설 애호가들의 관심을 끌어왔습니다. 이 가설상의 통로들은 시공간 연속체를 통해 우주의 두 먼 지점 사이를 신속하게 이동할 수 있는 이론적 수단을 제공하며, 인터스텔라 여행에 대한 우리의 이해를 혁명적으로 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다.
웜홀 과학의 핵심에는 입자가 가장 작은 규모에서 어떻게 행동하는지 다루는 물리학의 한 분야인 양자역학이 있습니다. 일반 상대성 이론, 알버트 아인슈타인이 제안한 우주의 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 이론과 결합할 때, 우리는 웜홀의 이론적 기초를 시작해 볼 수 있습니다. 이 이론들은 극도의 중력, 예를 들어 블랙홀 근처에서 발견되는 중력과 같은 조건 하에서, 우주의 시공간 구조가 굽혀지거나 비틀려 우주를 가로질러 지름길을 만들 수 있다고 제안합니다.
웜홀의 입구는 이론적으로 블랙홀, 즉 빛조차 탈출할 수 없을 정도로 강력한 중력을 가진 우주의 지역으로 추측됩니다. 반대편 출구는 이론적으로 가능하다면 화이트홀을 통해 이루어질 것이며, 이는 물질과 빛을 방출하면서 블랙홀의 반대 역할을 하는 것으로 작용합니다. 이 두 점 사이의 영역, 웜홀의 목구멍에서는 아인슈타인-로젠 브리지가 위치합니다.
웜홀의 가장 흥미로운 측면 중 하나는 사건의 지평선, 블랙홀을 둘러싼 경계로 외부 우주로부터 어떠한 정보나 물질도 돌아올 수 없는 지점입니다. 이 임계점을 넘어 웜홀로 여행을 하면 우주의 다른 지점이나 시간으로 이동할 수 있지만, 물리학의 법칙이 우리가 알고 있는 대로 붕괴되는 무한 밀도의 점인 중력적 특이점에 대한 질문도 제기됩니다.
웜홀 개념은 또한 다중 우주 이론, 우리 우주가 동시에 존재하는 많은 병렬 우주 중 하나라는 아이디어와 교차합니다. 웜홀은 우주를 가로질러뿐만 아니라 이러한 여러 우주 사이의 통로를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있어서, 탐험과 발견의 무한한 가능성을 제공합니다.
'시간 지연'은 웜홀을 이해하는 데 있어 중요한 개념인데요. 일반 상대성 이론에 따르면, 서로 다른 중력장이나 다른 속도에서 관찰자에 대해 시간이 다르게 흐릅니다. 이는 웜홀을 통해 여행하는 사람이 밖에 남아 있는 사람과 다르게 시간을 경험할 수 있다는 것을 의미하며, 시간뿐만 아니라 우주를 통한 여행이 가능한 과학 소설에서 바로 나올 법한 시나리오로 이어질 수 있습니다.
웜홀은 허황된 개념일까?
그동안에는 웜홀에 대해 확신을 가지고 말할 수 있는 사람은 아직 없고, 그 정확한 성질을 아는 이도 없다고 여겨졌습니다.
캘리포니아 공과대학에서 석좌교수로 재직했던, 상대성이론 및 중력천문학 분야에서 세계적으로 인정받는 킵 손 교수 역시 실제로 웜홀을 목격한 사람은 없다고 언급했습니다. 실제로 웜홀을 만들어본 이도 없으며, 이는 웜홀이 그저 공상과학의 산물일 수 있음을 시사합니다.
그러나 이 주제에 대한 탐구는 멈추지 않았고, 구글 MIT, 캘리포니아 공과대학, 하버드 대학교의 과학자들은 2022년 캘리포니아 산타바버라의 GQ2 실험실에서 세계 최고 수준의 양자 컴퓨터를 이용해 웜홀의 실존 여부를 증명하기 위한 실험에 착수했습니다. 연구팀은 양자 컴퓨터를 활용하여 웜홀의 이론적 작동 원리에 대한 실험을 계획했습니다.
1935년 아인슈타인이 웜홀 개념을 처음 소개했을 때, 이는 매우 불안정한 개념이었습니다. 웜홀이 실제로 존재하는 것은 상대성 이론만으로는 충분히 설명될 수 없었습니다. 웜홀은 매우 불안정한 연결 통로로, 언제 열리고 닫힐지, 혹은 언제 붕괴될지 알 수 없었으므로 인간이 통과하기 어렵다고 여겨졌습니다. 따라서 아인슈타인 자신도 이러한 개념에 대해 실망했을 것입니다.
양자얽힘, 그리고 웜홀?
하지만 EPR 역설의 등장은 이러한 상황을 전환시켰습니다. 이 역설은 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 이름을 따서 명명되었으며, 양자 얽힘을 주요 주제로 다룹니다. 양자 얽힘은 양자가 두 지점에서 동시에 존재할 수 있다는 이론입니다.
2013년에는 아르헨티나의 물리학자 후안 말다세나와 미국의 물리학자 레너드 서스킨드가 웜홀과 양자 얽힘 사이의 관계를 제안하는 새로운 이론을 발표했습니다. 이들은 웜홀과 양자 얽힘이 본질적으로 동일한 개념이라고 주장했으며, 이는 물리학계에 큰 파장을 일으켰습니다. 다시 양자 컴퓨터 실험으로 돌아와, 연구팀은 인간이 웜홀을 통과할 수 있는지 여부를 규명하려 합니다.
그래서 결론적으로, 사람이 이동 가능한 웜홀은 과연 실제로 존재할 수 있었을까요?
연구자들은 가능하다고 답합니다. 양자 역학의 가장 신비로운 능력 중 하나는 부정적 에너지를 포함하고 있다는 것입니다. 이 에너지는 일반적으로 불가능하다고 여겨지는 현상을 가능하게 만들 수 있습니다. 웜홀의 한 입구로 진입하면, 이 부정적 에너지에 의해 다른 쪽으로 이동이 가능하게 됩니다.
양자 컴퓨터는 전통적인 컴퓨터 언어와는 다르게 작동합니다. 일반 컴퓨터가 0과 1의 이진법을 사용하는 반면, 양자 컴퓨터의 큐비트는 0과 1을 동시에 표현할 수 있어 정보의 상호작용을 더욱 복잡하게 만들어줍니다. 양자 세계는 다채롭고 복잡하며, 그동안 탐사가 어려웠던 영역입니다. 이에 따라 구글 퀀텀 시스템을 활용한 몇 가지 프로젝트가 시작되었습니다.
홀로그래픽 이중성을 이용하여 양자 물리학의 원리를 웜홀 구성에 적용하는 실험이 계획되었습니다. 이 실험의 목표는 한쪽 통로에 큐비트를 전송하고 다른 쪽에서 이를 관찰하는 것이었습니다. 만약 이 실험이 성공한다면, 이는 실제로 웜홀을 구현한 첫 사례가 될 것입니다. 이러한 실험은 양자 컴퓨터의 발달에 의해 이루어졌으며, 연구팀은 도전을 결심했습니다.
실험은 캘리포니아 산타바바라의 GQ2 실험실에서 수행되었고, 초기 단계부터 연구팀은 시스템의 크기에 대한 문제에 직면했습니다. 양자 실험을 위한 시스템은 예상보다 훨씬 거대했습니다. 연구팀은 시스템의 크기를 줄이기 위해 불필요한 기능을 제거하는 데 집중했고, 인공지능과 머신 러닝을 활용하여 시스템 조건을 대폭 축소하는 데 성공했습니다.
2022년 1월, 실험이 시작되었고, 연구팀은 큐비트가 웜홀 반대쪽 출구로 나올 수 있는지를 관찰했습니다. 데이터에서 흔적이 발견되기 시작했고, 처음에는 단순한 잡음으로 여겨졌으나, 이 데이터는 점차 명확해지며 웜홀의 존재를 암시했습니다. 부정적 에너지 그래프에서도 돌출된 데이터가 발견되어 실험의 성공을 시사했습니다. 연구팀은 큐비트가 웜홀을 통과하며 웜홀 전체에 분산되고, 반대쪽 출구에서 다시 하나로 합쳐지는 과정을 관찰했습니다.
아인슈타인이 웜홀 개념을 처음 제안한 지 거의 세기가 지난 후, 실제로 웜홀이 구현될 가능성이 드러났습니다. 연구팀은 이제 시작일 뿐이라고 언급하며, 양자 컴퓨터의 발전이 실험의 규모와 정밀도를 더욱 향상시킬 것이라 예상했습니다. 이제 웜홀의 문이 열렸고, 가능성이 증명되었으니, 발전은 더욱 가속화될 것입니다.
인간이 웜홀을 통한 이동이 현실화될 가능성도 이제는 증명된 것입니다. 양자 및 물리학 기술의 발전으로 양자 실험은 계속해서 발전할 것입니다. 아인슈타인의 웜홀개념이 현실에서 구현되기까지 거의 한 세기가 걸렸지만, 인간이 웜홀을 통해 이동하는 날이 언제 올지는 누구도 예측할 수 없습니다.
웜홀의 실체가 가시적으로 증명되는 시기는 과연 언제가 될까요?
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