워프 드라이브

공간 자체를 움직여 우주선을 빛보다 빨리 나르기: 무엇이 필요하고 안에서는 어떻게 보이는지

가설입니다. 물리학적으로는 가능하지만 아무도 본 적이 없습니다. 모든 내용은 현재 이론을 따릅니다.

단계별로

우주선이 아니라 공간을 움직이기

상대성 이론의 속도 제한은 공간을 통해 움직이는 것들에 대한 것입니다. 공간 자체가 움직이는 것에는 아무 말도 하지 않습니다. 먼 은하가 빛보다 빨리 멀어지는 것은 그 사이의 공간이 계속 자라기 때문입니다. 알쿠비에레의 생각은 그중 작은 조각을 일부러 일으켜 그 안에 우주선을 싣고 가는 것입니다.

거품은 둘레에 벽이 있는 평평한 공간의 영역으로, 그 벽에서 공간이 앞에서는 줄어들고 뒤에서는 늘어납니다. 우주선은 파도에 실려 가는 서퍼처럼 가운데서 정지해 있습니다. 승무원은 평평한 공간에서 자유 낙하 상태일 것입니다. 미는 힘도 시간 지연도 없고, 시계는 밖과 똑같이 갑니다.

이것은 아인슈타인 방정식의 해이지 기계가 아닙니다. 모서리의 그래프는 해 자체의 것입니다. 진행선을 따라 공간이 얼마나 빨리 늘어나는지(선 위) 또는 줄어드는지(선 아래). 그림은 거품이 빛의 두 배 속도로 날아갈 때 그 뒤에 있는 관측자가 볼 것입니다. 앞에 일그러진 하늘의 원반이 있고, 멀어질수록 작아집니다.

무엇이 벽을 지탱하나

벽을 지탱하려면 거품 둘레 전체에, 특히 양옆에 음의 에너지를 가진 물질이 필요합니다. 1997년 펜닝과 포드는 우주선을 10년에 은하수를 가로질러 나르는 거품에 약 −10⁶⁴ kg이 필요하다는 것을 알아냈습니다. 관측 가능한 우주가 담고 있는 것보다 훨씬 많습니다.

알쿠비에레의 에너지 공식에는 어디에나 마이너스 부호가 있습니다. 웜홀을 열어 두는 것과 같은 종류의 이색 물질입니다. 진행선을 따라서는 0이고, 우주선 가운데 둘레의 벽, 곧 보라색 고리에서 가장 큽니다. 고리는 그린 것입니다.

1997년 마이클 펜닝과 래리 포드는 양자 이론이 음의 에너지에 두는 한계를 거품에 적용했습니다. 벽의 두께는 플랑크 길이의 몇백 배밖에 될 수 없고, 우주선을 멀리 나를 만큼 큰 거품의 에너지는 약 −10⁶⁴ kg이라는 것을 알아냈습니다. 관측 가능한 우주 질량인 약 10⁵³ kg의 대략 천억 배입니다.

이후의 설계들은 청구서를 줄였습니다. 반 덴 브루크의 1999년 설계는 원자만큼 작은 것을 나르는 거품에 태양 세 개 미만이면 됩니다. 2021년 보브릭과 마르티레는 빛보다 느린 거품은 보통 물질로 만들 수 있음을 보였고, 렌츠는 양의 에너지만 필요한 더 빠른 거품을 제안했으나 다른 이들은 이에 이의를 제기합니다. 싼 것은 없고, 합의된 것도 없습니다.

어떻게 만들어질까

종이 위에서 워프 드라이브는 세 단계로 만들어집니다. 엄청난 양의 음의 에너지를 만들고, 그것을 우주선 둘레의 얇은 벽으로 빚고, 우주선 앞에서 켜는 것입니다. 그중 어느 것도 어떻게 하는지 아무도 모릅니다. 여기의 고리는 그린 것입니다.

1. 음의 에너지를 만든다. 우리가 만들 수 있는 유일한 것은 아주 작습니다. 카시미르 효과는 1마이크로미터 떨어진 판 사이에서 세제곱미터당 약 −4 × 10⁻⁴줄을 주고, 압축된 빛은 짧은 펄스를 만듭니다. 포드와 로만이 찾은 한계는 이만큼을 이 짧은 시간만 허용합니다. 거품에는 약 −10⁶⁴킬로그램이 필요합니다.

2. 벽으로 빚는다. 알쿠비에레의 공식은 물질을 우주선 둘레의 껍질에 놓습니다. 진행선을 따라서는 없고, 옆쪽에 가장 많으며, 부드러운 벽입니다. 펜닝과 포드는 벽이 겨우 몇백 플랑크 길이, 약 10⁻³³미터 두께여야 한다는 것을 알아냈는데, 우리가 만들 수 있는 어떤 물질보다 얇습니다.

3. 우주선 앞에서 켠다. 우주선은 앞쪽 벽에 신호를 보낼 수 없으므로 안에서 거품을 시작할 수 없습니다. 크라스니코프는 1995년에 느린 우주선이 가면서 항로를 준비하고 뒤에 변형된 공간의 관을 남기면, 그 뒤 그 관을 따르는 여행은 빠를 것이라고 제안했습니다.

이 중 어느 것도 기계로는 존재하지 않습니다. 모든 단계는 수학이 요구하는 것이지 기술이 아닙니다. 그림의 음의 에너지 고리와 앞쪽의 항로는 그린 것입니다.

거품 안

안에서는 아무것도 느끼지 못할 것입니다. 우주선은 평평한 공간에서 정지해 있습니다. 미는 힘도 시간 지연도 없고, 시계는 다른 어디서와 같이 갑니다. 달라지는 것은 하늘입니다. 드라이브를 올리면 앞의 별들이 몰려들고 밝아지고 푸르러집니다.

중심에서는 공간이 평평하고 정지해 있습니다. 거품이 가속해도 아무것도 당신을 밀지 않습니다. 당신이 가속하는 것이 아니기 때문입니다. 움직이는 것은 거품의 벽입니다. 당신의 시계는 모든 사람의 시계가 가리키는 시간을 가리킵니다.

무슨 일이 일어나는지 보여 주는 것은 들어오는 빛뿐입니다. 빛은 공간이 흐르는 벽을 가로질러야 하고, 이동된 채로 나옵니다. 앞에서 오는 빛은 진동수가 1 더하기 속도만큼 오르고, 뒤에서 오는 빛은 1 빼기 속도만큼 내립니다. 여기의 모든 빛줄기는 워프 기하를 따라 추적됩니다.

색조는 이동된 색의 간단한 대용이고, 밝기는 도플러 인자를 따릅니다. 중심의 우주선 자체는 그리지 않았습니다.

우주선이 보는 것

클라크, 히스콕, 라슨은 1999년에 빛이 거품을 지나는 경로를 추적했고, 토마스 뮐러와 슈투트가르트의 동료들이 나중에 그 광경의 영상을 만들었습니다. 빛의 속도를 넘으면 앞쪽 절반의 별들은 실제보다 진행 방향에 더 가깝게 보이고, 그쪽으로 갈수록 더 밝고 푸르러집니다.

우주선 뒤에서는 도플러 인자, 1 빼기 속도가 빛의 속도에서 0이 되고, 그 너머에서는 바로 뒤 둘레에 빛이 전혀 도착하지 않는 원뿔이 열립니다. 그 반각은 코사인이 1 나누기 속도인 각입니다. 빛의 두 배 속도에서 60°, 우주선이 빠를수록 더 큽니다.

원뿔은 지평선입니다. 초음속 제트기 뒤의 마하 원뿔처럼, 그 안의 것은 자기 빛에 추월당합니다. 똑바로 뒤를 보면 승무원은 어둠만 보고, 가장자리 쪽에 희미한 붉은 별 몇 개가 보일 것입니다.

관측자가 보는 것

밖에서 보면 워프 거품은 거의 보이지 않습니다. 빛도, 볼 수 있는 벽도 없습니다. 뒤에서는 앞에 일그러진 하늘의 원반으로 나타나고, 거품이 멀어질수록 줄어듭니다. 옆에서는 그것이 지나가 버릴 때까지 아무것도 알아차리지 못할 것입니다.

멀리 앞쪽 별들의 빛은 당신에게 닿기 전에 거품의 벽을 가로지르고, 벽은 그것을 수십 도 꺾고 색을 이동시킵니다. 당신이 보는 것은 실제로는 하늘의 넓은 띠에서 온 하늘이, 진행 방향 둘레의 작은 원 안에 꾹 눌려 담긴 원반입니다. 거품이 멀수록 원반은 작습니다. 여기서 카메라는 공간에 대해 정지해 있고, 거품 뒤에 있습니다.

거품은 어떤 빛도 그것을 보여 줄 수 없을 만큼 빨리 움직입니다. 그 상은 그것이 지나간 뒤에야 당신에게 닿습니다. 그 진로에 있는 사람은 그것이 오는 것을 보기도 전에 추월당할 것입니다. 초음속 비행기 뒤에 충격음이 따라오듯이.

가운데의 우주선은 그리지 않았고, 벽 자체의 빛도(있다 해도) 그리지 않았습니다. 방정식이 별빛에 하는 일만 보여 줍니다.

조종도 정지도 안 됨

1995년 세르게이 크라스니코프는 우주선이 보내는 어떤 것도 거품의 앞쪽에 빛보다 빨리 닿을 수 없으므로, 승무원은 벽을 만들 수도, 조종할 수도, 멈출 수도 없다고 지적했습니다. 벽에 관한 모든 것은 우주선이 오기 전에 그 앞에 마련되어 있어야 할 것입니다.

클라크, 히스콕, 라슨은 여기 그려진 두 원뿔을 찾아냈습니다. 앞쪽에는 우주선이 신호를 보낼 수 없는 것, 뒤쪽에는 빛이 우주선에 닿을 수 없는 것. 각각의 반각은 코사인이 1 나누기 속도입니다.

그래서 워프 거품 속 우주선은 이미 거기 있는 기계가 해 주지 않는 한 목적지에서 멈출 수 없습니다. 크라스니코프 자신의 답은 항로를 따라 미리 깔아 둔 휘어진 공간의 관이었습니다. 이것들은 생각이지 설계가 아닙니다.

두 가지 문제 더

거품을 평평한 공간에서 켠다면, 계산에 따르면 양자 효과가 앞쪽 벽에 한없이 쌓여 그것을 파괴합니다. 그리고 빛보다 빨리 가는 방법은 시간을 거슬러 가는 방법이기도 할 수 있습니다.

피나치, 리베라티, 바르셀로는 2009년에 평평한 공간에서 만들어진 초광속 거품이 앞쪽 벽에 지평선을 갖게 되며, 거기서 양자장의 에너지가 시간에 따라 지수적으로 커짐을 보였습니다. 그들의 결과는 중력을 고전적으로, 물질을 양자적으로 다루므로, 양자 중력의 완전한 이론은 다를 수 있습니다.

앨런 에버렛은 1996년에 모델의 간단한 변경만으로 우주선이 출발하기 전에 집으로 돌아오는 고리를 돌 수 있음을 보였습니다. 웜홀처럼, 초광속 거품은 추진 장치인 동시에 타임머신입니다.

스티븐 호킹의 시간 순서 보호 추측은 자연이 그런 고리가 생기는 것을 언제나 막는다고 말합니다. 워프 거품에도 성립하는지는 알려져 있지 않습니다. 앞쪽 벽에 그린 맥동하는 빛은 쌓이는 에너지를 나타내며, 그린 것입니다.

누가 만든 적이 있나요?

아니요. 해럴드 화이트가 이끄는 NASA 팀은 2011년과 2012년에 레이저 간섭계로 작은 워프장을 찾았지만 설득력 있는 징후를 찾지 못했습니다. 워프 드라이브는 방정식 속에 머물며, 필요한 음의 에너지를 기다립니다.

NASA 존슨 우주 센터에서 화이트와 리처드 주데이는 세라믹 축전기의 작은 고리가 만드는 공간의 뒤틀림을 찾기 위한 간섭계를 만들었습니다. 결과는 결론이 나지 않았고, 2014년의 한 분석은 그런 장치가 만들 수 있는 뒤틀림이 너무 작아 간섭계가 볼 수 없다고 주장했습니다.

일반 상대성 이론은 거품의 모양을 허용합니다. 없는 것은 물질입니다. 필요한 양의 음의 에너지를 가진 알려진 물질은 없고, 양자 이론은 카시미르 효과에서처럼 아주 작은 양만 짧은 시간 허용합니다.

이 생각은 여전히 쓸모 있는 일을 합니다. 상대성 이론이 무엇을 허용하고 금하는지 보여 주고, 물리학자들이 에너지에 관한 규칙 중 어느 것을 자연이 정말로 지키는지 묻게 했습니다. 보통 물질로 만든 빛보다 느린 거품은 지금은 엔진이 아니라 중력에 대해 말해 주는 것 때문에 연구됩니다.