시공간의 구멍, 웜홀

영화 인스텔라에서 웜홀을 통과하는 장면

 

영화 인터스텔라에서 블랙홀 말고도 흥미로웠던 장면이 하나 있는데, 웜홀을 타고 시공간을 뛰어넘는 장면이었습니다. 영화 속 등장인물이 a4용지를 이용해 어떻게 공간을 한 번에 이동하는지 원리를 간단하게 보여주는데요, 이번에는 웜홀이 무엇인지 알아보겠습니다.

 

1. 웜홀이란?

웜홀은 시공간을 단축시켜 먼 거리를 짧은 시간에 이동할 수 있는 가상의 통로입니다. 영화 인터스텔라 외에도 마블이나 스타워즈 등과 같이 우주를 배경으로 하는 영화에서 블랙홀과 웜홀을 이용해 먼 거리를 한순간에 이동하는 장면이 나오는데, 조금 이해가 어렵다면 게임 속에서 다른 맵으로 이동하는 포탈이라고 생각하면 이해가 쉽습니다.

 

그런데 공간을 뛰어넘는다니 이게 정말 가능한 거 맞나요? 사실 현재까지도 웜홀에 대한 직접적인 관측이나 실험적인 증거는 없습니다. 다만 일반 상대성 이론에 기반한 이론적인 개념으로, 이론적으로는 가능한 우주 구조물입니다.

 

웜홀은 매우 특이하고 복잡한 공간 구조로, 이를 관측하기 위해서는 우주의 극한 환경에서의 관측이 필요하며, 매우 작은 스케일에서 발생할 가능성이 있어 현재로서는 기술적 한계로 인해 관측하기가 어렵습니다. 또한 웜홀이 존재한다면, 그 존재와 특성을 확인하기 위해서는 고에너지 물질이 필요하며, 이를 생성하고 조작하는 것도 현재로서는 기술적으로 어렵습니다. 따라서 현재 시도 중인 관측도 직접적인 관측보다는 우주의 다른 현상들을 통해 간접적인 단서를 찾는 것에 집중되어 있으며 관련된 연구는 계속해서 진행 중에 있습니다.

 

 

2. 웜홀의 원리

웜홀의 시공간 이동 원리에 대해서는 일반 상대성 이론을 기반으로 설명할 수 있습니다. 일반 상대성 이론은 아인슈타인이 제시한 이론으로, 시공간의 구조와 중력을 설명합니다.

일반 상대성 이론에 따르면 시간과 공간은 하나의 연속체로 결합된 개념이며, 높은 질량이나 에너지의 존재는 시공간을 구부리는데 큰 영향을 줍니다. 웜홀은 이러한 구부림을 이용하여 시공간의 한 지점과 다른 지점을 연결하는 데 사용됩니다. 일반적으로 웜홀은 두 개의 입구로 구성되며, 이 입구들은 서로 다른 공간 지점을 연결합니다.

 

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이해하기 힘드시죠? 자세한 수식은 생략하고, 높은 질량에 의해 공간이 휘어질 수 있다는 것만 생각하면서 다음 이미지를 참고해 보겠습니다.

 

태양, 중성자별, 블랙홀에 의한 공간 휘어짐 모형 (출처: Quora)

 

위 그림은 질량에 의한 공간의 휘어짐을 보여줍니다. 참고로 일반상대적 이론에 의하면 중력의 개념도 서로 끌어당기는 것이 아닌, 위 그림과 같이 질량에 의해 공간의 휘어짐이 발생하고, 다른 질량체가 휘어진 공간으로 떨어지는 것을 의미합니다.

 

위 그림은 태양과 중성자별 블랙홀의 예시를 통해 보여주고 있습니다. 그림에서 알 수 있듯이 질량이 큰 물체일수록 공간의 휘어짐도 크게 나타납니다. 블랙홀은 중력이 매우 강력하여 특이점으로 알려진 곳에 질량이 집중되는데, 이 특이점은 우주의 시공간을 극단적으로 구부립니다.

 

만약 위 그림에서 블랙홀 부분만 보았을 때 블랙홀이 떨어지는 반대편에 또 하나의 블랙홀이 있다면 어떻게 될까요? 휘어진 서로의 공간이 만날 수도 있지 않을까요? 마치 다음 그림과 같이 말이죠.

 

공간 휘어짐에 의한 웜홀 형성 모형 (출처: sciencenews / 그림판을 이용한 이동 루트 설명추가)

 

이처럼 웜홀의 이론적인 모델링에서는 일반적으로 2개의 블랙홀이 필요합니다. 하나의 블랙홀에 의해 입구가 형성되고, 출구는 다른 블랙홀에 의해 형성됩니다. 이렇게 형성된 입구와 출구는 시공간 구조를 따라 연결되어 웜홀을 형성합니다

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이렇게 형성된 웜홀은 두 블랙홀 사이의 시공간을 단축시켜 이론적으로는 먼 거리를 짧은 시간에 이동할 수 있는 통로로 작용할 수 있습니다.  위 그림을 통해 예시를 들어보면, 원래 평면 공간에서는 A에서 B지점으로 갈 때 녹색루트를 따라 움직여 매우 먼 거리를 이동해야 합니다. 하지만 두 블랙홀에 의해 웜홀이 형성되면 노란 루트를 통해 단번에 갈 수 있는 것입니다. 따라서 웜홀을 통과하는 것은 두 블랙홀 사이의 공간을 거치는 것이 아니라, 시공간의 구조를 따라 이동하는 것으로 설명됩니다.

 

 

웜홀은 일반 상대성 이론을 기반으로 한 이론적인 개념이며, 관측적인 증거나 실험적인 확인이 필요합니다. 현재로서는 웜홀의 존재와 특성에 대한 연구가 계속 진행 중이지만, 언젠가 우리도 영화에서처럼 시공간을 뛰어넘어 우주여행을 하게 될 날이 오지 않을까 기대를 해봅니다.