Interstella ::: Kip Thorne's Wormhole Theory

Interstella ::: Kip Thorne's Wormhole Theory
인터스텔라 ::: 킵손의 웜홀 이론 리뷰

인터스텔라 영화에서 물리학 감수를 한 이론 천체물리학자 킵 손에 대해서 검색해 보았다.

그의 개인 홈페이지..
http://www.cco.caltech.edu/~kip

여기서 보니깐 영화 배경의 근원이 되는 논문을 찾을 수 있다.

Michael S. Morris and Kip S. Thorne, "Wormholes in Spacetime and Their Use for Interstellar Travel: A Tool for Teaching General Relativity," American Journal of Physics, 56, 395-416 (1988).

이 논문의 원문을 열람해 보기 위해 구글링.

http://www.physics.uofl.edu/wkomp/teaching/spring2006/589/final/wormholes.pdf

일단 논문 제목이 간지(!)난다.

"시공간에서의 웜홀과 성간여행을 위한 활용 : 일반상대성 이론의 지도를 위한 도구"

항성간 우주여행이 가능한 물리학적 방법을 찾아보고, 그 검토 과정을 통해서 일반상대성  이론을 쉽게 이해시킬 수 있다는 의도 같다.
논문 초록을 보면 내용이 대충 이런 것 같다.

시공간 웜홀에 의한 고속 성간여행은 기초 일반상대성 이론의 지도를 위해서 유용한 방법이 될 수 있다.
칼 세이건의 소설 "콘텍트"의 경우에는 기존의 다른 SF 소설들과는 달리, 1986년 당시의 물리학적 지식에 근거하여 묘사하고 있다.
많은 경우에 블랙홀 또는 슈바르츠실트 웜홀이 고속 성간여행의 수단으로 제시된다.
아인슈타인 장 방정식이 제공해 주는 새로운 수준의 해법은, 인간이 웜홀을 통해 여행할 수 있다고 볼 수 있다.
이 해법의 요점은, 웜홀이 사건의 지평선이 없는 출입구를 가지고, 이것이 아이슈타인 장 방정식에 의해 웜홀의 시공간 휘어짐을 만들도록 철저하게 구속될 경우에 가능하다는 것이다.
이러한 웜홀의 출입구는 방사장력 $\tau_0$가 거대한 값을 가져야만 한다.
필요한 수치는 대략
$$\tau_0 \sim (중성자별의 질량중심에서의 압력) \times (20 km)^2 / (출입구의 둘레)^2$$
이정도 된다.
또한, 이 장력은 질량-에너지의 밀도 $\rho_0^{c^2}$ 수준에 도달해야만 한다.
$\tau_0 > \rho_0^{c^2}$ 특성을 충족하는 물질은 현재까지 알려져 있지 않다.
게다가 설령 그런 물질이 존재한다 하더라도 일반상대성 이론에서 가장 중시하는 "에너지 조건"에 정면으로 모순될 것이다.
그럼에도 불구하고, 현재로서는 그런 물질의존재를 완전히 부정하기는 어렵다.
그리고 양자장 이론은 그러한 물질의 존재 가능성에 대한 약간의 힌트를 주고 있기도 하다.

그러니깐, 기존에는 블랙홀이나 슈바르츠실트 웜홀에 의한 성간여행 아이디어만 있었지만 이것들은 사실 인간이 통과하는 것이 불가능하였는데...
이번에 새로 제안되는 아인슈타인 장 방정식에 기반한 타입의 웜홀의 경우에는 인간이 통과 가능하다는 것이다.
이런 특성을 가지는 웜홀이 가져야 할 조건을 충족하는 물질은 현재로서는 알려져 있지 않으나, 그런 물질이 존재할 수 있는 물리학적인 가능성을 완전히 배제할 수도 없다는 점을 지적하고 있다.
아주 긍정적인 논문 같다.

블랙홀을 통과하는 성간여행은 불가능하다.
(불가능한 이유는 뭐 다들 아시는 바와 같다.)

블랙홀 말고 제안되는 다른 것인 "슈바르츠실트 웜홀"의 경우, 그것의 정확한 조건은 잘 모르겠지만, 이름에서 추측하자면 대충 사건의 지평선을 가지는 종류의 웜홀을 말하는 것 같다.
논문에서는 슈바르츠실트 웜홀로는 인간의 성간여행이 불가능하다고 결론짓고 있다.

그런데, "사건의 지평선이 없는 웜홀"이라는 종류의 것이 존재 가능하다는 것을 이론적으로 밝힌다.
그리고 이런 타입의 웜홀은 인간이 통과 가능한 것이라는 거다.

영화에서 묘사된 웜홀이 바로 그것일 것이다.
우주선이 웜홀에 진입해서 통과하는데 별다른 무리가 가지 않는다.
우주선이 엄청난 가속도 차이에 의해서 찢겨져 나가거나 하는 일은 벌어지지 않았다.
심지어 저쪽 공간과 이쪽 공간 간에 물질과 통신의 교환이 가능한 것을 볼 수 있다.
아주 편리한 웜홀 같다.
이런 종류의 웜홀을 형성하기 위해서는$\tau_0$라는 물성치가 아주 거대해야 한다고 하는데,
이런 조건을 만족하는 물질은 아직까지 밝혀진 바 없다는 점이 문제다.
하지만 양자장 이론에서는 이런 물질이 존재 할 수도 있다는 힌트를 주고 있으니깐 너무 비관하지 말라는 거다.

그리고 논문에서는 수식을 전개해서, 이 웜홀의 구조를 밝히는 수식을 표현해 놓고, 또 이 웜홀의 경계조건이라던가 슈바르츠실트 웜홀과의 특성의 차이점, 통과할 때 중력의 상태를 계산할 수 있는 공식 같은 디테일한 것들을 풀어 놓았다.
그리고 웜홀 구성물질은 뉴트리노 내지는 중력파 같은 것일 것이라고 추측하고있다.
이것들은 인체와의 상호작용이 매우 약하기 때문에 인간이 받는 스트레스는 매우 작을 것이라고 예상한다.

아울러 이 웜홀의 안정성에 대해서 코멘트하고 있다.
이 웜홀은 자연상태에서는 매우 불안정할 것이라고 한다.
하지만 이것을 제어할 수 있는 수준의 기술을 갖추게 된다면, 안정성을 확보하는게 불가능하지 않을 것이라고 한다.
안정성을 확보하는데 필요한 기술 수준은 '안티 호라이즌(반 경계?)' 또는 '코시 호라이즌'을 만드는 것 보다 쉬울 것이라고 한다.

또한 이 웜홀은 화이트홀이 아니다.
화이트홀은 반중력을 가지는데(물질을 엄청난 가속도로 막 뱉아내겠지),
이것은 반중력을 가지지 않는다.

이 웜홀을 만들기 위한 기술 수준은...
미시적인 양자 기계공학, 시공간 형상의 확대 및 이동 등이 가능한 수준이면 되지 않을까 라고 보고 있다.  상상의 영역이다.

이 논문에서 제안된 웜홀 솔루션은 구체적인 특성 및 구조 등이 전부 수학으로 명시되어 있기 때문에,
여기에 나온 공식을 토대로 시뮬레이션을 한 것이 바로 우리가 영화에서 본 그 웜홀이라는 것 같다.

다만 이 논문에서는 블랙홀을 통과하는 우주여행은 불가능하다고 하고 있지만,
영화에서는 주인공이랑 로봇이 블랙홀 속으로 뛰어들어서 웜홀로 멀쩡히 살아서 뱉아져 나온다.
이 부분은 물리학적 고증이 잘못되었음을 알면서도 영화적 상상력으로 떼운 부분일 것이다.

실제로 영화에 나온 그 거대한 블랙홀 정도 되면, 블랙홀의 영향권 안에만 들어가도 엄청난 방사능과 복사파들로 인해서 전자기기는 물론 인간의 생존 조차 어렵지 않을까 하는 생각이 든다.
하지만 영화에서는 그런 문제는 싹 다 무시하고 있다.

'사랑의 힘'으로 방사능을 극복한 것 같다.