웜홀

우주를 가로지르는 터널: 어떻게 열어 둘 수 있고 어떻게 보일지

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

단계별로

우주를 가로지르는 지름길

웜홀은 멀리 떨어진 두 곳을 잇는, 우주를 가로지르는 터널일 것입니다. 일반 상대성 이론은 그 모양을 허용하지만, 아무도 본 적이 없습니다. 밖에서 보면 다른 하늘이 든 공처럼 보일 것입니다.

아인슈타인의 중력 방정식은 그것을 금하지 않습니다. 1935년 아인슈타인과 로젠은 공간의 두 영역을 잇는 '다리'를 찾아냈고, 1957년 미스너와 휠러는 그런 터널을 웜홀이라 불렀습니다. 벌레가 사과 껍질의 두 점 사이에 뚫는 지름길에서 딴 이름입니다.

이것은 통과할 수 있는 가장 단순한 종류로, 1973년 호머 엘리스와 키릴 브로니코프가 찾아냈습니다. 모양은 있지만 끌어당김은 없습니다. 그 안의 어떤 것도 당신을 끌거나 늘이지 않습니다. 가장 좁은 부분인 목은 구이고, 양쪽으로 공간이 평평하게 펼쳐집니다.

이 그림의 모든 빛줄기는 일반 상대성 이론이 말하는 대로 웜홀의 기하를 따라 추적됩니다. 웜홀 자체는 이론입니다. 하늘에서 관측된 어떤 것도 그것이 존재한다고 가리키지 않습니다.

입 둘, 목 하나

모서리의 그림은 흔한 기법입니다. 공간이 어떻게 휘는지 보이려고 한 방향을 빼고 나머지를 휜 곡면으로 그리며, 곡면의 각 점은 공간의 원 하나를 나타냅니다. 이 웜홀의 곡면은 현수면으로, 두 고리 사이에 비눗방울 막이 만드는 모양입니다. 가운데가 가장 좁고 양쪽으로 평평한 공간을 향해 벌어집니다.

금색 점이 당신입니다. 여분의 방향은 그리기 위한 도움일 뿐이며, 이론의 어떤 것도 공간이 그쪽으로 휘라고 요구하지 않습니다. 숫자 하나가 웜홀의 크기, 곧 목의 반지름을 정하고, 나머지 모든 것이 어떻게 보일지는 그것이 정합니다. 킵 손과 크리스토퍼 놀란은 〈인터스텔라〉의 웜홀에 1km를 골랐습니다.

목에서 멀리 떨어지면 터널은 거의 영향을 주지 않습니다. 거기서 구의 넓이는 평평한 공간에서의 넓이와 거의 같습니다. 그래서 멀리서 보면 양쪽 끝은 둥근 구멍이 있는 평범한 공간처럼 보입니다.

무엇이 열어 두는가

내버려 두면 이런 터널은 아무것도 지나가기 전에 닫혀 버릴 것입니다. 모리스와 손은 1988년에 음의 에너지를 가진 물질만이 그것을 열어 둘 수 있음을 보였습니다. 보라색으로 그렸습니다.

보통 물질은 중력이 끌어당기게 합니다. 목을 열어 두려면 그곳에서 중력이 바깥으로 밀어야 하고, 그러려면 에너지가 0보다 작은 물질, 곧 엑조틱 물질이 필요합니다. 그것은 목 둘레의 공간을 채워야 하고, 가운데가 가장 짙고 멀어질수록 옅어져야 합니다.

처음 발견된 터널인 아인슈타인–로젠 다리는 사실 양쪽에서 본 블랙홀이며, 풀러와 휠러가 1962년에 보였듯이 빛이 건널 수 있는 것보다 빨리 오므라듭니다. 모리스와 손은 1988년에 문제를 뒤집었습니다. 원하는 터널을 고른 다음, 무엇이 그것을 채워야 하는지 계산하는 것입니다.

질문은 소설에서 나왔습니다. 칼 세이건은 〈콘택트〉를 쓰면서 손에게 주인공이 물리학을 어기지 않고 은하를 가로지를 방법을 물었고, 손과 그의 학생 마이크 모리스는 웜홀로 답했습니다. 보라색 빛은 그린 것입니다. 그런 물질이 어떻게 배열될지는 아무도 모릅니다.

음의 에너지

1948년 헨드릭 카시미르는 진공 속에서 아주 가까이 놓인 전하 없는 두 금속판이, 진공의 양자 요동을 바꾸기 때문에 서로를 향해 밀릴 것이라고 예측했습니다. 그 사이의 에너지 밀도는 0보다 작습니다. 라모로가 1997년에 그 미는 힘을 쟀고, 모히딘과 로이가 1998년에 1퍼센트 이내로 쟀습니다.

그것은 실재하지만 아주 작습니다. 1마이크로미터 간격에서 밀도는 세제곱미터당 약 −4 × 10⁻⁴줄입니다. 반지름 1km의 웜홀은 목에서 약 −5 × 10³⁶이 필요하고, 전체로는 태양 하나의 질량 정도의 음의 에너지가 필요합니다. 목 반지름 1미터마다 대략 목성 하나의 질량입니다.

양자 이론은 또한 음의 에너지를 얼마나, 얼마 동안 모을 수 있는지도 제한합니다. 포드와 로먼이 1990년대에 보였습니다. 자연이 물질을 이렇게 배열하도록 허락하는지는 알려져 있지 않으며, 그냥 금할 수도 있습니다.

목을 키우기

휠러는 가장 작은 크기, 1.6 × 10⁻³⁵ m인 플랑크 길이 근처에서 공간은 매끄럽지 않고 거품이 일며, 거품과 손잡이가 끊임없이 열렸다 닫힌다고 제안했습니다. 그 손잡이 가운데 일부는 웜홀일 것이며, 의미가 없을 만큼 작고 순식간에 사라질 것입니다.

모리스와 손, 그리고 뒤에 맷 비서는 우리를 훨씬 넘어선 문명이 하나를 붙잡아 부풀릴 수 있을지 궁금해했습니다. 그렇게 하는 알려진 과정은 없습니다. ER=EPR이라는 더 새로운 생각(말다세나와 서스킨드, 2013)은 서로 얽힌 두 입자가 작은 웜홀로 이어져 있다고 말합니다. 이것은 추측이지 결과가 아닙니다.

2022년 구글의 양자 컴퓨터가 웜홀의 거동 모델을 실행했습니다(자페리스 외, 〈네이처〉). 한쪽 끝에 넣은 신호가 이론이 말하는 대로 반대쪽으로 나왔습니다. 하지만 그것은 양자 중력의 단순화된 장난감 모형을 몇 개의 큐비트에서 흉내 낸 것이었습니다. 어떤 공간도 뚫리지 않았습니다.

레시피, 순서대로

1. 아주 작은 웜홀을 붙잡는다. 플랑크 길이, 1.6 × 10⁻³⁵미터에서는 공간이 휠러가 1955년에 짐작한 것처럼 작은 손잡이들로 거품을 이룰 수도 있고, 얽힌 입자들이 웜홀로 이어져 있을 수도 있습니다(ER=EPR, 2013). 그중 어느 것이 붙잡을 수 있는 것이라는 증거는 없습니다.

3. 그것을 엑조틱 물질로 채운다. 목에는 태양 하나쯤의 질량에 해당하는 음의 에너지가 필요하고, 대부분은 목 둘레에 있습니다. 카시미르 효과 밀도의 약 10⁴⁰배이며, 알려진 어떤 물질도 취하지 않는 배치입니다.

4. 안정하게 유지한다. 신카이와 헤이워드는 2002년에 교란된 목이 블랙홀로 붕괴하거나 부풀어 터진다는 것을 보였으므로, 능동적인 제어가 필요할 것입니다. 모든 단계는 수학의 요구이지 기계가 아닙니다.

어떻게 보일까

밖에서 보면 다른 곳의 하늘로 된 공일 것입니다. 끌어당길 질량은 없지만 그 모양이 빛을 휘게 합니다. 뒤의 별들은 밀려 벌어지고, 가장자리에서는 먼 하늘이 가늘고 밝은 고리로 눌립니다.

빛은 휜 공간에서 가장 짧은 경로를 따릅니다. 목의 한가운데를 향한 빛줄기는 곧장 통과하고, 가장자리를 스치는 빛줄기는 그 둘레로 휘며, 어떤 것은 떠나기 전에 몇 바퀴를 돕니다. 이 그림은 일반 상대성 이론이 말하는 대로 모든 빛줄기를 따라갑니다. 〈인터스텔라〉 팀도 같은 일을 했습니다(제임스 외, 2015).

웜홀의 음의 에너지는 빛을 밀어내는 렌즈처럼 작용할 것입니다. 1995년 크레이머와 동료들은 먼 별 앞을 지나는 웜홀이 어떤 보통 질량도 만들지 못하는 패턴으로 그 별을 밝아지게 할 것이라고 제안했습니다. 탐색에서는 아무것도 발견되지 않았습니다.

다른 하늘은 그린 것입니다. 그 끝은 어디에서나 열릴 수 있습니다. 여기서는 두 하늘을 구별할 수 있도록 다른 은하로 그렸습니다.

통과해 날기

한가운데를 겨누면 곧장 통과합니다. 앞에서는 다른 하늘의 공이 온 사방이 될 때까지 열립니다. 목에서는 둘레 하늘의 절반이 각각의 장소입니다. 아무것도 당신을 끌지 않습니다.

이 웜홀에서는 아무것도 당신을 끌어당기지 않습니다. 이렇다 할 중력도 없고, 블랙홀 근처에서 몸을 늘일 조석력도 없습니다. 알아채는 것은 하늘이 바뀌는 것뿐입니다. 목은 시야가 갈라지는 곳입니다. 절반은 떠나온 곳, 절반은 가는 곳입니다.

다가가면서 공의 가장자리를 보세요. 목을 스치는 빛은 당신에게 닿기 전에 그 둘레를 여러 번 돌기 때문에, 같은 별들의 고리가 점점 가늘어지며 하나 안에 또 하나씩 되풀이됩니다. 여기서의 비행은 빠르게 돌려 놓았습니다.

여객기의 속력, 초속 약 250미터라면 목 앞의 마지막 1km를 4초에 지납니다. 통과는 추락이라기보다 장면 전환처럼 느껴집니다.

반대편

먼 끝으로 나오면 뒤돌아보세요. 온 곳은 이제 등 뒤의 하늘 공입니다. 웜홀에는 입이 둘 있고, 각각 제 쪽에서 보면 똑같이 보입니다.

먼 쪽 입도 똑같이 둥글고 똑같이 작습니다. 거기서 보면 떠나온 입은 우리 하늘 한 조각을 품은, 똑같이 휜 공입니다. 어느 쪽 끝이 어느 쪽인지 알려 주는 것은 없습니다.

먼 쪽 입이 어디에 있는지는 웜홀 자신의 일입니다. 바로 옆일 수도, 은하의 반대편일 수도, 어떤 사람들이 상상했듯 다른 우주일 수도 있습니다. 방정식은 말하지 않습니다. 그것이 이 생각의 핵심입니다. 터널을 따른 거리는 바깥의 거리와 아무 상관이 없으므로, 짧은 터널이 수 광년 떨어진 곳들을 이을 수 있습니다.

타임머신?

한쪽 입을 빠른 왕복 여행에 데려가면 그 시계는 다른 쪽보다 뒤처집니다. 통과하면 더 이른 때에 나옵니다. 모리스, 손, 유르체버는 1988년에 이를 보였습니다. 호킹은 1992년에 자연이 이를 막는다고 논증했습니다.

빛의 속도에 가깝게 움직이는 것에게는 시간이 더 느리게 흐릅니다. 한쪽 입을 빠른 왕복 여행에 데려갔다가 다른 쪽 옆으로 되돌려 놓으면, 두 시계는 여행이 아낀 시간만큼 어긋납니다. 입들은 서로 다른 시각에 있지만 같은 장소에 있습니다.

더 나중의 입으로 들어가면 더 이른 입에서 나옵니다. 과거로 가는 길이며, 자기 자신을 만날 수 있는 고리입니다. 이것이 닫힌 시간꼴 곡선으로, 시간 여행 이야기가 필요로 하는 것입니다. 모리스, 손, 유르체버는 1988년에 웜홀이 일단 만들어지면 그것으로 바꿀 수 있다고 지적했습니다.

스티븐 호킹은 1992년에 연대기 보호 추측을 제안했습니다. 진공의 양자 요동이 기계가 가능해지는 바로 그때 쌓여, 한없이 커지며 먼저 웜홀을 무너뜨린다는 것입니다. 지금까지의 계산은 이에 맞지만, 완전한 증명은 아무도 갖고 있지 않습니다.

누가 본 적이 있을까요?

아니요. 웜홀은 별빛 속에서, 중력파 속에서, 우리 은하의 블랙홀 근처에서 찾았지만, 모든 탐색이 빈손으로 돌아왔습니다. 그것은 일반 상대성 이론이 허용하는 생각으로 남아 있을 뿐, 존재한다고 아는 것이 아닙니다.

렌즈 효과 탐색에서는 웜홀이라면 그래야 할 방식으로 밝아지는 별이 발견되지 않았습니다. 두 블랙홀이 합쳐질 때 그 자리의 웜홀은 중력파 메아리를 보낼 것입니다. LIGO, Virgo, KAGRA 자료의 탐색에서도 설득력 있는 징후는 발견되지 않았습니다.

이벤트 호라이즌 망원경이 찍은 M87과 우리 은하 블랙홀의 영상은 블랙홀과 일치합니다. 아직 모든 대안을 배제할 수는 없지만, 그 안에 웜홀이 필요한 것은 없습니다.

그래서 웜홀은 시작된 곳, 방정식 속에 머뭅니다. 그것이 가르쳐 준 것은 그래도 실재합니다. 공간을 어떻게 빚을 수 있는지, 그리고 가능한 것 가운데 얼마나 많은 부분이 음의 에너지가 필요하다는 점 때문에 막혀 있는지입니다.

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