초광속 여행
1. 개요
이름 그대로 광속을 넘어 이동하는 것을 의미한다.
상대성 이론에서 골치거리 중 하나가 바로 초광속 여행일 것이다. 널리 알려진 바로는 특수 상대성 이론은 초광속 여행을 허용하지 않는다고 하며, 이 때문에 만약 초광속 여행이 가능해진다면 상대성 이론이 무너진다고 한다. 이 때문에 초광속 여행이 측정되는지 여부는 상당한 관심 거리이고, 이는 2011년 유럽에서 일어난 해프닝을 봐도 충분히 알 수 있는 점이다.
2. 상세
그런데 상대성 이론과 초광속 여행 간의 상관 관계에 대해선 약간의 오해가 있다. 우선, 상대론은 초광속으로 이동하는 물체, 즉 타키온의 존재를 아주 부정하진 않는다. 즉, 초광속 정보 전달이 상대론 그 자체와 대치되는 건 아니다. 다만 광속 미만의 물체는 광속 혹은 그 너머의 속력에 도달할 수 없고, 반대로 타키온은 광속 혹은 그 아래의 속력으로 떨어질 수 없다는 것만 밝힐 뿐이다. 그리고 일단 타키온이 광속 이하의 무언가와 상호작용하지 않는다면, 아무런 문제가 없다.
문제는 그렇지 않을 때이다. 즉, 다른 통상적인 물질들과 상호작용할 수 있으면서 초광속으로 움직이는 물질이 존재하면 문제가 생긴다. 이땐 '''인과율'''이 깨지는 일, 즉 일명 타임 패러독스가 벌어진다. 쉽게 말하자면, 과거로 정보를 전달할 수 있게 된다[1]. 이러면 '할머니 살해 패러독스'라든가 하는 문제가 일어나게 된다. 물리학자들은 상대론보다 인과율이 더 근본적인 것이라고 여긴다. 그러다 보니 일단 초광속 여행이 가능해진다는 얘기가 나오면 일단 상대론을 까게 되는 것이다.
3. 초광속 여행과 인과율
상대론과 초광속 여행, 그리고 인과율 간엔 깊은 관계가 있다. 상대론적 방법을 써서 초광속 정보 전달로 과거에 정보를 전달할 수 있다. 먼저 짚고 갈 점이 있는데, 단순히 초광속으로 이동하는 물체가 과거로 간다는 건 사실이 아니다. 그런 물체가 날아가는 걸 (볼 수 있다고 칠 때) 보면 그냥 무지 빠르게 주욱 날아가는 걸로 보일 뿐이다. 그냥 알아서 과거로 간다던가 그런 거 없다. 다만, 간단한 매커니즘을 통하여 과거로의 정보 전달이 가능하게 된다. 다음은 대략적인 그 절차이다.[출처]
1. 초광속으로 이동하는 물질이 있다고 하자. 이 물질은 초광속으로 이동하므로 시간역행이 가능하다.
2. 초광속 물질 송수신기가 2개 있다고 하자. 정지한 것을 A, 이동하는 것을 B라고 하자.(B의 이동속도는 광속 이하여도 상관없다)
3. A에서 초광속 물질에 정보를 담아 B에게 날린다.
4. B가 정보를 받으면, 동일한 정보를 담아서 A에게 날린다.
5. A가 이 정보를 받는다.
6. 정보는 왕복하는 동안 초광속으로 이동하며 시간을 역행했다.
7. 따라서 5번은 3번보다 과거의 일이다.
8. ...응?
이때 B의 속력은 초광속 물질의 속력과 위치, 그리고 얼마나 과거로 보낼 거냐에 따라 결정된다.[2] 그냥 주고 받고 하기만 했는데도 과거로의 정보 전달이 가능한 것이다. 뭔가 납득이 안 갈 수도 있겠지만, 이는 전적으로 상대론의 결과이다. 로렌츠 변환에 의하면 어떤 계에서 초광속으로 날아가는 물질은 다른 계에서 시간을 역행하는 움직임을 보일 수가 있다. 위 방법은 이러한 성질을 이용한 것이다.
이런 상황이니, 만약 인과율을 포기하지 않는다면 보통 물질과 상호작용이 가능한 초광속 물질의 존재가 상대론에 타격을 안 줄 수가 없는 것이다. 로렌츠 변환이 문제를 일으키니 어쩔 수 있나... 다만 이는 어디까지나 인과율을 포기하지 않을 때의 이야기이지, 만에 하나 인과율을 더 이상 받아들일 필요가 없어진다면 초광속 물질의 존재는 더 이상 지금처럼 큰 문제이지 않게 될 것이다.
4. 여담
웜홀이나 워프 항법 같은 공간 왜곡, 즉 시작점과 도착점의 간격을 좁혀서 항행하는 방법은 그 과정 중의 이동속도가 광속을 초과하지 않으므로 가능하다고 알고 있는 경우가 많다. 하지만 사실은 이 또한 초광속 이동의 범주에 들어가며 인과율에 위배되는 현상이다. 앞에서 제시했던 과거로의 정보 전달 방법에서 초광속 통신을 웜홀 통신으로 치환하기만 하면 문제가 발생한다는 것을 알 수 있다. 단순하게 생각해서 웜홀이 평탄한 공간으로 연결된 우주의 어느 두 지점을 순간적으로 연결해 준다면 이 웜홀을 통과하는 행위는 다른 관성계에 위치한 외부의 어느 관측자의 시점에서는 과거로의 시간 여행으로 보이게 될 것이며 이는 인과율의 위배가 된다. 어쩌면 외부 관측자가 존재하지 않는 (즉, 웜홀 이동의 과정이 외부에서 보이지 않는) 상태라면 일단은 앞의 문제를 모면할 수는 있겠지만 이러한 조건이 실제로 가능한지에 대해서는 의문이 있다.
통상적인 초광속 여행이 불가능하다는 사실에 절망할 수도 있겠지만, 사실은 아광속 여행만으로도 초광속과 비슷한 효과를 받을 수는 있다. 이는 길이 수축과 시간 지연 덕분인데, 빛에 가까운 속도로 여행하는 자신을 제외한 전 우주가 우주선의 진행 방향으로 수축하기 때문에 실제 같은 속도로도 더 먼 거리를 이동하는 것이 가능해지는 것. 지금까지 말한 초광속 여행이란 하나 이상의 관성계에서 관찰한 정보의 전달 속도가 광속을 넘어설 경우를 말하며, 아광속 여행의 경우 정지한 관찰자 시점에서 우주선은 광속을 넘지 않기 때문에 문제가 되지 않는다. 즉, 속도만 충분히 빛의 속도에 근접한다면 200만 광년 떨어진 안드로메다 은하까지 우주선에 탄 사람 시점으로 하루만에 날아갈 수도 있다! 물론 지구의 관찰자 시점에서 우주선은 200만 년에 걸쳐 날아가는 것처럼 보일 것이며 , 우주선에 탄 사람의 시간은 매우 느리게 흘러 거의 미동도 하지 않는 것처럼 보이게 될 것이다.
5. SF에서의 등장
성간 국가를 배경으로 하는 SF의 경우 대부분 초광속 항해가 등장한다. 물론 작품의 개연성을 더해주기 위해 대부분 워프, 웜홀, 초공간도약 등의 방법을 이용하여 엄밀한 의미에서의 초광속 항해가 등장하는 작품은 적은 편. 어쨌거나 스토리 진행을 위해서 필수적이기에 대부분은 어떤 방식으로든 광속보다 빠르게 이동하는 방법이 등장하긴 한다. 물질만이 빠르게 이동할 수 있어 항성 간 통신을 위해서는 직접 연락선이 오가야 하는 경우도 있고 어떤 원리로 초광속으로 통신이 가능하기도 하다.
우주를 배경으로 하지만 초광속 항해가 어떤 방식으로도 등장하지 않는 경우도 있다. 결국 광속을 넘을 방법은 없다는 가혹한 사실에 부딪힌 세계이기에 가벼운 스페이스 오페라보다는 하드 SF에 주로 등장한다. 이런 경우 항성간 여행은 아광속 우주선을 통해 이뤄지며 장거리 여행 중 냉동수면을 하는 경우도 많다. 사실 광속에 가까운 우주선 내부의 시간은 상대성 이론으로 인해 그리 많이 흐르지 않기에 냉동수면을 굳이 하지 않아도 감당 가능할 것이다.
[1] 다른 물질과 상호작용이 가능하다는 것과 정보 전달이 가능하다는 것은 동치이다.[출처] 「중력과 상대론」 한스 오하니언 저. 연습문제에서 발췌.[2] 잘못 정하면 과거로 신호를 못 보낼 수도 있다.