블랙홀 이야기를 하다 보면 늘 웜홀이 따라 나온다. 우주 저편으로 순식간에 건너가는 지름길 말이다.
영화 인터스텔라에도 나오고 SF에 단골로 등장한다. 나는 이게 상상인지 물리학에 근거가 있는지 궁금했다.
파보니 웜홀은 상상이 아니라 방정식에서 나온 개념이었다. 하나씩 쉽게 풀어봤다.
웜홀은 시공간을 접는 지름길이다
우리 은하 지름이 약 10만 광년인데, 웜홀은 그런 먼 거리도 한 걸음으로 줄이는 지름길이다. 종이 한 장을 떠올리면 쉽다.
종이 양 끝에 점을 두 개 찍어 본다. 그 위를 기어서 가면 멀다.
그런데 종이를 반으로 접어 두 점을 맞대면 거리가 거의 0이 된다. 웜홀은 휘어진 우주 공간을 이렇게 접어서 두 곳을 잇는다.
그래서 웜홀을 우주의 지름길이라고 부른다. 먼 길을 돌지 않고 접힌 틈으로 질러가는 셈이다.
빛조차 수만 년 걸릴 거리를 순식간에 건넌다는 상상이다. SF가 왜 웜홀에 열광하는지 알 만하다.
우주가 워낙 넓어서 웜홀 없이 다른 은하까지 가는 건 사실상 불가능하다. 그래서 웜홀은 우주여행 이야기의 단골 열쇠가 된다.
웜홀은 아인슈타인 방정식에서 나왔다
웜홀은 1935년 아인슈타인과 네이선 로젠이 방정식을 풀다가 찾아냈다. 두 지점을 잇는 다리 같은 답이 나왔다.
그래서 웜홀을 아인슈타인-로젠 다리라고도 부른다. SF 작가가 아니라 물리학 방정식이 먼저 그려낸 셈이다.
나는 이 대목이 좀 신기하게 와닿았다. 영화 소품처럼만 여겼는데 뿌리가 단단한 물리였다.
다만 방정식에 답이 있다는 것과 실제 우주에 있다는 건 다른 얘기다. 여기서부터가 진짜 어려운 문제다.
그래도 상상보다 방정식이 먼저 웜홀을 그렸다는 건 분명하다. 그 사실만으로도 웜홀은 그냥 공상은 아니다.
블랙홀과 웜홀은 출구가 다르다
블랙홀과 웜홀은 방정식 뿌리가 닮아서 헷갈리기 쉽다. 결정적 차이는 출구다.
블랙홀은 사건의 지평선을 넘으면 그냥 안으로만 떨어진다. 들어가면 끝인 막다른 구멍이다.
웜홀은 한쪽으로 들어간 게 반대편 입구로 나온다. 양쪽이 뚫린 터널인 셈이다.
블랙홀이 종착역이라면 웜홀은 지나갈 수 있는 통로다. 이 차이 하나가 전부를 가른다.
그래서 웜홀은 무서운 구멍이라기보다 오히려 다리에 가깝다. 블랙홀은 한 번 들어가면 소식이 없지만 웜홀은 반대편에서 소식이 온다.
블랙홀의 반대 개념인 화이트홀도 여기 얽혀 있다. 궁금하면 화이트홀 이야기에 풀어놨다.
문제는 통과하기 전에 닫힌다는 것
1988년 물리학자 킵 손은 사람이 지나갈 수 있는 웜홀을 진지하게 따져봤다. 그런데 큰 벽에 부딪혔다.
방정식이 내놓는 기본 웜홀은 극도로 불안정하다. 생기자마자 목이 조이듯 순식간에 닫혀 버린다.
빛조차 반대편에 닿기 전에 통로가 끊긴다. 입구 근처의 중력도 워낙 험해서 우주선은 통과 도중에 찢길 수 있다.
킵 손은 통로를 억지로 벌려 열어 둘 방법을 고민했다. 그러려면 음의 에너지라는 특별한 재료가 필요했다.
음의 에너지는 보통 물질과 반대로 미는 힘을 낸다. 문제는 이게 실제로 그만큼 있는지조차 모른다는 점이다.
찾아보니 이 음의 에너지가 웜홀 연구의 가장 큰 걸림돌이었다. 여기서 대부분의 웜홀 꿈이 막힌다.
그러니 자연에 웜홀이 있다 해도 맨몸으로는 못 지나간다. 빛조차 못 빠져나오는 통로를 어떻게 열어 둘지가 관건이다.
웜홀을 어떻게 알아볼 수 있을까
웜홀은 겉모습이 블랙홀과 거의 똑같아서 구분이 어렵다. 그래서 요즘은 소리의 메아리 같은 신호를 노린다.
블랙홀끼리 부딪히면 시공간이 출렁이며 중력파라는 파동이 퍼진다. 이 파동은 중력파를 잡아낸 이야기에서 더 다뤘다.
블랙홀은 이 파동을 그냥 삼킨다. 그런데 웜홀이라면 목구멍에서 일부가 튕겨 나와 뒤늦게 다시 울린다고 한다.
동굴 벽에 대고 소리치면 메아리가 되돌아오는 것과 비슷하다. 벽이 없는 블랙홀에서는 이 메아리가 없다.
아직 이런 메아리를 확실히 잡은 적은 없다. 그래도 웜홀이 실재한다면 여기서 꼬리가 잡힐 거라고 본다.
언젠가 이런 신호가 잡히면 웜홀은 상상에서 물리로 넘어온다. 그때까지 웜홀은 검증을 기다리는 흥미로운 가설로 남아 있다.
웜홀은 아직 상상과 물리의 경계 어디쯤에 있다. 방정식에는 있는데 손에는 안 잡힌다.
그래도 언젠가 메아리 하나가 잡히면 우주여행 이야기가 조금은 달라질 것 같다. 그날이 오면 참 놀라울 것 같다.
자주 묻는 질문
Q1. 웜홀이 뭔가
A. 휘어진 우주 공간을 종이처럼 접어서, 멀리 떨어진 두 곳을 짧은 통로로 잇는 지름길이다. 아인슈타인 방정식에서 나온 개념이다.
Q2. 웜홀과 블랙홀은 뭐가 다른가
A. 출구가 다르다. 블랙홀은 들어가면 끝인 막다른 구멍이고, 웜홀은 반대편으로 나오는 양쪽 뚫린 터널이다.
Q3. 웜홀로 정말 여행할 수 있나
A. 지금 이론으로는 어렵다. 기본 웜홀은 통과 전에 닫히고, 열어 두려면 있는지도 모를 음의 에너지가 필요하다.
Q4. 웜홀은 언제 나온 개념인가
A. 1935년 아인슈타인과 로젠이 방정식에서 찾아냈다. 그래서 아인슈타인-로젠 다리라고도 부른다.
Q5. 웜홀이 실제로 있는지 어떻게 확인하나
A. 중력파의 메아리를 노린다. 블랙홀은 파동을 삼키지만, 웜홀이라면 목구멍에서 일부가 되돌아와 뒤늦게 울릴 수 있어서다.
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