웜홀과 시간영행(타임머신)에 관한 대화

Q1. 오늘 주제가 웜홀과 타임머신인데, 웜홀과 타임머신이 어떤 관계인지 궁금합니다. 그보다 먼저 웜홀의 존재는 과학적 근거가 있나요?

--> 과학적인 근거가 있죠. 1916년 루드비히 플램이란 물리학자가 1916년 아인슈타인의 중력장방정식의 풀이에서 웜홀을 수학적으로 발견했고요, 1935년 아인슈타인은 자신의 제자 나단 로젠과 아인슈타인-로젠 브릿지를 발견했는데, 이게 바로 웜홀이죠.

Q2. 웜홀이 상대성이론의 중력장방정식에서 발견되었다니 과학적 근거가 있는 셈이군요. 근데 웜홀이 실제로 존재할 수 있을까요?

-->2017년 노벨물리학상 수상자 킵 손은 1980~90년대 웜홀의 물리학적 가능성을 진지하게 검토했어요. 웜홀은 생겨났다가 금방 사라집니다. 이를 유지시키려면 음의 에너지밀도를 가진 이상 물질(exotic matter)을 흘려보내면 가능한 것으로 계산됐어요. 킵 손은 다시 이상 물질이 우주상에 존재하는지를 검토해봤어요. 확률은 낮지만 존재할 수 있다는 계산을 얻었죠. 그래서 영화 ‘콘택트’의 원작자인 천문학자 칼 세이건한테 웜홀을 통과하기 위해서는 이상 물질을 발견하고 이를 웜홀을 지탱하도록 사용해야 한다고 설명해주었죠. 킵 손은 ‘무한히 발전된 문명’이라는 가정 아래, 웜홀을 만들고, 이상 물질을 통해 유지할 수 있다는 결론을 내립니다.

Q3. 킵 손은 칼 세이건의 원고에서 블랙홀을 웜홀로 고쳐주었고, 그래서 실제 영화 ‘콘택트’에서 주인공 조디 포스터가 우주선을 타고 웜홀을 통과하는 것으로 그려졌군요. 이후 킵 손의 웜홀 연구 결과는 어떤가요?

--> 킵 손은 칼 세이건의 원고 검토 이후 그의 소설이 일반상대성이론을 공부하는 학생들에게 유용한 교육적 도구가 되겠다고 생각하고 칼 세이건의 소설 속의 웜홀에 관해 상대성이론 논문을 쓰기 시작합니다. 실제 제목은 ‘웜홀, 타임 머신, 그리고 약한 에너지 조건’이었죠. ‘약한 에너지 조건’은 웜홀을 지탱하는 이상 물질의 학술용어였죠. 이 논문의 골자는 ‘훰홀은 존재할 가능성이 있고, 그 것은 타임머신의 기능을 할 수 있다’는 거였죠. 물론 현실적인 가능성은 매우 낮지만 수학적으로 가능하다는 것이었죠.

Q4. 와, 웜홀이 타임머신 기능까지 한다는 내용이었다니, 대단한 주목을 받았겠는데요?

--> 안 좋은 쪽으로 대단한 주목을 받았죠. 이 논문이 1988년 나왔는데, 당시 물리학계에서 타임머신 얘기를 하면 사이비로 취급하는 시대였는데, 대중의 관심은 높았죠. 내셔널 이콰이어러라는 신문에서 그 논문을 보고 ‘물리학자들, 타임머신의 존재 증명’이라는 자극적인 제목으로 보도했죠. 캘리포니아 매거진은 ‘타임머신을 발견한 사람’이라는 기사에 팔로마 산 위에서 벌거벗고 연구하는 킵 손의 사진을 싣기도 했대요. 킵손이 타임머신을 만들어 시간여행을 한다더라, 는 식의 엉뚱한 소문까지 나돌았다고 해요.

Q5. 근데 웜홀이 어떻게 타임머신 기능을 하는지 그 원리가 궁금합니다.

--> 킵 손은 ‘웜홀의 두 입구 사이 시간이 어떻게 연결될까?’를 진지하게 생각해봤어요. 웜홀의 외부에서 볼 때, 두 개의 입들은 서로 다른 기준좌표계에 있습니다. 이들 좌표계가 서로에 대해 굉장히 빠른 속도로 움직이면(두 좌표계의 상대속도가 매우 클 경우) 두 입들은 서로 다른 시간의 흐름을 경험할 것입니다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 이는 분명하죠. 그런데 웜홀의 내부에서 보면 두 입들은 서로에 대해 정지해 있습니다. 그래서 그들은 하나의 기준좌표계를 공유하죠. 이것은 두 입들이 반드시 동일한 시간 흐름을 경험해야 한다는 것을 의미합니다.

다음은 킵 손의 웜홀 타임머신 사고실험이다.

킵 손의 집 거실과 정원의 우주선이 웜홀로 연결돼 있다. 킵 손은 거실의 웜홀 입구 주변에 앉아 있고, 킵 손의 아내 캐롤리는 웜홀의 다른 입구인 우주선에 탑승해 있다. 2000년 1월 1일 오전 9시, 캐롤리가 우주선을 발진시켜 우주여행을 떠난다. 캐롤리는 빛에 가까운 속도로 우주여행을 하고 정원에 돌아온다. 자신의 시계를 보니 떠난 지 12시간이 지난 오후 9시다. 킵 손이 웜홀 내부에서 캐롤리 우주선의 도착을 지켜본다. 자신의 손목시계를 보니 떠난 지 12시간이 지난 오후 9시다. 캐롤리의 시계가 가리키는 시간과 똑같다.

그런데 잠시 후인 2000년 1월 1일 오후 9시 1분, 킵 손이 거실의 웜홀 입구에서 고개를 들어 창밖을 내다본다. 정원엔 우주선이 보이지 않는다. 캐롤리와 또다른 웜홀의 입구는 거기에 없다. 아직 돌아오지 않은 것이다. 킵 손은 성능 좋은 망원경으로 하늘을 바라본다. 캐롤리는 지구에서 수억km 떨어진 우주 공간을 날고 있다. 하루 이틀이 지나고, 한 달 두 달이 지나고, 또 1년 2년이 지나 꼭 10년 후인 2010년 1월 1일에 캐롤리가 우주선을 타고 집 정원에 돌아온다. 이 시간은 웜홀의 외부에서 측정한 시간이다. 물론 킵 손의 거실에 걸려 있는 달력도 2010년 1월이다.

킵 손이 아내를 만나러 정원으로 나간다. 아내는 2000년 1월 1일의 모습 그대로이다. 자신은 캐롤리보다 10년이 더 늙어있다. 웜홀이 타임머신 역할을 한 것이다. 만약 킵 손이 지금 (2010년 1월 1일) 우주선의 웜홀 입으로 들어가면 10년 전인 2000년 1월 1일 거실의 다른 입으로 빠져나와 캐롤리의 귀환을 지켜보는 젊은 자신을 만나게 될 것이다. 마찬가지로 젊은 킵 손이 2000년 1월 1일 거실의 웜홀 입구로 들어가면 2010년 1월 1일 우주선의 웜홀 입구로 나올 것이다. 들어가는 방향에 따라 나올 때는 10년 전이나 10년 후가 될 것이다. 그러나 어떤 경우에도 2000년 1월 1일 오후 9시 이전 시간으로 웜홀을 통해 여행할 수는 없다. 웜홀이 처음 타임머신이 된 시간 이전으로 여행하는 것은 불가능하다. 상대성이론에 의하면 웜홀은 타임머신 기능을 한다.

Q6. 와우, 웜홀 타임머신의 원리는 결국 상대성이론에 있네요. 웜홀의 두 입구가 상대 속도로 운동하면 두 입구의 시간 흐름에 차이가 발생할 테니까요. 웜홀 안에서 볼 때 두 입구의 시간은 같더라도 외부에서 보면 수백 년의 차이가 날 수도 있다. 그래서 그 입구를 들어가는 방향에 따라 수 백년 전이나 수 백년 후의 세계로 갈 수 있다는 말이군요. 웜홀이 정말 매력적인 타임머신이 될 수 있겠는데, 그렇다면 이 웜홀이 실제 존재해야 할 텐데, 그게 가능한가요?

--> 핵심을 짚으셨습니다. 그래서 킵 손은 웜홀이 실제로 존재할 수 있는지 면밀한 이론적 검토에 들어갔어요. 타임머신 논문으로 시끄러웠던 1988년에서 2년 후 킵 손은 포스트 닥터 연구원인 김성원 교수와 함께 웜홀 지탱에 관한 물리적 계산에 착수합니다. 계산 결과 양자역학적 현상인 진공요동에 의해 강력한 에너지 광선이 생겨나 웜홀을 파괴한다는 거에요. 이런 얘기를 스티븐 호킹에게 의논을 구했더니, 호킹은 그 계산을 이미 했었다는 거예요. 그는 이렇게 주장했어요.

“우리가 타임머신을 만들려고 할 때마다, 그리고 타임머신을 만들기 위해 무엇을 사용하든지 간에(웜홀, 회전하는 원통, 우주끈 등), 우리가 만든 것이 타임머신이 되기 바로 전에 진공요동의 광선은 우리가 만든 것을 가로질러 순환하면서 파괴할 것이다.”

호킹은 평소 ‘시간순서보호 가설’을 내세워 물리법칙은 타임머신을 허락하지 않는다는 주장을 폈지요.

Q7. 시간순서보호 가설이 옳고, 웜홀도 진공요동에 의해 파괴된다면 시간여행은 이론적으로도 아예 불가능한 건가요?

--> 그렇진 않습니다. 킵 손은 이걸 판단해 단정하기에는 우리의 양자중력 지식이 아직 많이 부족하다고 주장합니다. 양자중력이론이란 양자역학과 일반상대성이론을 통합한 이론을 말하는데요, 이건 아직 걸음마수준이거든요. 그리고 호킹의 시간순서보호 가설은 과학적으로 증명되지 않은 ‘가설’ 수준이고요.

Q8. 그렇다면 웜홀이나 시간여행의 가능성을 다룬 최근의 연구는 어떤가요?

-->웜홀 연구의 큰 전환이 2013년 일어났어요. 레너드 서스킨드와 후안 말다세나가 ‘ER=EPR’ 이론을 발표한 것이죠. 이 방정식은 웜홀(아인슈타인-로젠 브리지)은 곧 양자 얽힘에 의해 연결된다는 사실을 나타내는데요. EPR(아인슈타인-포돌스키-로젠)은 당초 양자역학의 불완전성을 논증한 논문인데, 결과적으로 약 반세기 후 실험에 의해 양자 얽힘(quantum entanglement) 현상을 확인해주었죠. 양자 얽힘은 멀리 떨어진 두 입자가 서로 연결성을 갖고 있다는 건데, 이게 두 웜홀의 입구가 통로로 연결돼 있다는 개념과 같죠. 물론 거대세계와 양자세계의 차이가 있긴 하지만요.

양자 얽힘은 시간이 지나도 유지되거든요. 따라서 ER=EPR 이론이 맞다면 킵 손의 웜홀은 양자적 진공요동에 의해 스스로 파괴되는 것이 아니라 양자적 얽힘에 의해 유지될 수 있는 것이다. 하지만 이 웜홀은 양자적 규모이기 때문에 인간의 여행을 논할 대상은 못 되긴 하죠. 그래서 연구 대상이죠.

Q9. 미시세계의 양자얽힘과 거시세계의 웜홀이 원리적으로 상통한다, 의미심장한데요. 또 다른 접근의 연구가 있으면 소개해주시죠?

--> 우주만물의 기본입자가 끈이라는 끈이론(string theory)으로 접근한 연구가 있는데요, 그 끈이 부러지면 양쪽 끝이 블랙홀로 되면서 웜홀을 형성한다는 거죠. 미국 캘리포니아대학(산타 바바라) 물리학과 다이안다이안 왕(Diandian Wang) 교수팀이 ‘통과 가능한 웜홀 창조(Creating a traversable wormhole)’라는 논문에서 이렇게 밝혔죠. 시공간 곡률이 두 개의 블랙홀을 정적인 상태로 지속해 결과적으로 웜홀의 입구가 열린 상태로 유지시킨다고 합니다.

물론 사람이 통과할 수 있을 정도의 스케일은 아니고요. 하지만 거시적인 웜홀의 존재 가능성이 0은 아님을 확인했다고 합니다. 앞으로 양자역학과 양자중력 이론이 발전하면 웜홀과 시간여행 가능성도 한층 분명해질 것으로 기대합니다.

Dialogue concerning wormholes and Time travel (Time Machine)

Q1. Today's topic is wormholes and Time Machine. I'm curious about the relationship between wormholes and Time Machine. First of all, is there a scientific basis for the existence of wormholes?

There is a scientific basis. In 1916, a physicist named Ludwig Flam mathematically discovered a wormhole in solving Einstein's gravitational field equation in 1916. In 1935, Einstein discovered the Einstein-Rosen Bridge with his student Nathan Rosen, which is a wormhole.

Q2. There is a scientific basis for the fact that wormholes were discovered in the gravitational field equation of the theory of relativity. But can wormholes actually exist?

The 2017 Nobel Prize in Physics Kip Thorne seriously examined the physical possibilities of wormholes in the 1980s and 1990s. Wormholes appear and disappear quickly. To maintain this, it was calculated that it would be possible to flow exotic matter with negative energy density. Kip Thorne looked again to see if an exotic matter existed in space. The probability is low, but he got the calculation that it could exist. So he explained to astronomer Carl Sagan, the original author of the movie 'Contact', that in order to pass through a wormhole, he must find an exotic matter and use it to support the wormhole. Under the assumption of an 'infinitely advanced civilization', Kip Thorne concludes that wormholes can be created and maintained through exotic matter.

Q3. Kip Thorne fixed the black hole into a wormhole in Carl Sagan's manuscript, so in the actual movie 'Contact', the main character, Jodie Foster, was depicted as passing through a wormhole in a spaceship. What about the results of Kip Thorne's wormhole research?

After reviewing Carl Sagan's manuscript, Kip Thorne thought that Sagan's novel would be a useful educational tool for students studying general relativity, and began writing a paper on relativity theory about the wormhole in Carl Sagan's novel. The actual title was ‘Wormholes, Time Machines, and Weak Energy Conditions’. The ‘weak energy condition’ was the scientific term for the exotic matter that supported the wormhole. The gist of this thesis was that 'a wormhole has the potential to exist, and that it can function as a Time Machine'. Of course, the realistic possibility is very low, but it was mathematically possible.

Q4. Wow, the content of paper that wormholes even function as Time Machines must have received a lot of attention?

It got a lot of attention on the bad side. This paper came out in 1988, and at that time, the scientific world treated physicists who talked about Time Machines as 'insane people'. but public interest was high. A newspaper called the National Enquirer reported it under the stimulating title, “Physicists prove the existence of a Time Machine.” California Magazine even featured a photo of Kip Thorne naked on Mount Palomar doing research in an article titled “The Man Who Discovered the Time Machine.” It is said that Kip Thorne made a time machine and traveled through time.

Q5. However, I am curious about the principle of how wormholes function as Time Machines.

Kip Thorne seriously thought about how time would connect between the two entrances to the wormhole. When viewed from the outside of the wormhole, the two mouths are in different reference frames. If these coordinate systems are moving at very high speeds relative to each other, the two mouths will experience different passages of time. According to Einstein's theory of relativity, this is clear. However, when viewed from inside the wormhole, the two mouths are at rest relative to each other. So they share one reference frame. This means that both mouths must experience the same time stream.

The following is Kip Thorne's wormhole Time Machine thought experiment.

The living room of Kip Thorne's house and the spaceship in the garden are connected by a wormhole. Kip Thorne is sitting near the wormhole entrance in the living room, and Kip Thorne's wife, Carolie, is on board a spacecraft that is the other entrance to the wormhole. At 9 am on January 1, 2000, Carolie launches her spaceship and goes on a space trip. Carolie travels through space at near-light speed and returns to the garden. Looking at her own watch, it is 9 pm, 12 hours after she left. From inside the wormhole, Kip Thorne watches Carolie and her ship's arrival. Looking at his own watch, it is 9pm, 12 hours after she left. It's the same time as Carolie's watch on her watch.

But shortly after, on January 1, 2000, at 9:01 pm, Kip Thorne lifts his head from the wormhole entrance in his living room and looks out window. There are no spaceships in the garden. Carolie and the entrance of another wormhole are not there. she hasn't come back yet. Kip Thorne peers into the sky through a powerful telescope. Carolie is flying in outer space hundreds of millions of kilometers from Earth. A day or two pass, a month or two months pass, another year or two years pass, and exactly ten years later, on January 1, 2010, Carolie returns to his garden in a spaceship. This time is the time measured outside the wormhole. Of course, the calendar hanging in Kip Thorne's living room also reads January 2010.

Kip Thorne goes out into the garden to see his wife. His wife is the same as she was on 1/1/2000. He himself is 10 years older than Carolie. The wormhole functioned as a Time Machine. If Kip Thorne enters the ship's wormhole mouth now (January 1, 2010), He will find his younger self 10 years ago, on January 1, 2000, exiting through the other mouth in the living room and watching Carolie's return. Likewise, if a young Kip Thorne enters the wormhole entrance in the living room on January 1, 2000, he will come out through the wormhole entrance in the spacecraft on January 1, 2010. Depending on the direction it goes in, when it comes out, it will be 10 years past or 10 years future. However, under no circumstances can you travel through a wormhole to a time prior to 9:00 pm on January 1, 2000. It is impossible to travel before the time the wormhole first became a Time Machine. According to the theory of relativity, wormholes function as Time Machines.

Q6. Wow, the principle of the wormhole Time Machine is in the theory of relativity after all. If the two entrances of the wormhole move at relative speeds, there will be a difference in the time flow of the two entrances. Even if the time of the two entrances is the same when viewed from inside the wormhole, it may differ by hundreds of years from the outside. So, depending on the direction you enter the entrance, you can go to the world hundreds of years past or hundreds of years future. A wormhole could be a really attractive Time Machine, but then this wormhole would have to exist, is that possible?

You got the point. So Kip Thorne began a thorough theoretical examination of whether wormholes could actually exist. Two years later in 1988, a noisy Time Machine paper, Kip Thorne and post-doctoral researcher Professor Kim Seong-won undertook physical calculations on wormhole support. As a result of the calculations, a powerful energy beam is created by vacuum fluctuations, a quantum mechanical phenomenon, and destroys the wormhole. When Kip Thorne asked Stephen Hawking to discuss this, he said that he had already made the calculation. He argued that

“Every time we try to build a Time Machine, and whatever we use to build it (wormholes, spinning cylinders, cosmic strings, etc.), just before what we build becomes a Time Machine, the ray of vacuum fluctuations will destroy it.”

Hawking usually put forward "chronology protection conjecture" argued that the laws of physics do not allow Time Machines.

Q7. If chronology protection conjecture is correct and wormholes are also destroyed by vacuum fluctuations, is Time travel theoretically impossible?

Not really. Kip Thorne argues that our knowledge of quantum gravity is still too small to judge this. Quantum gravity theory is a theory that integrates quantum mechanics and general relativity, but it is still in its infancy. And Hawking's chronology protection conjecture is at the level of a 'hypothesis' that has not been scientifically proven.

Q8. So what about the recent research on the possibility of wormholes or Time travel?

A big shift in wormhole research happened in 2013. Leonard Susskind and Juan Maldacena announced the 'ER=EPR' theory. This equation indicates that wormholes (Einstein-Rosen bridges) are connected by quantum entanglement. EPR (Einstein-Podolsky-Rosen Argument) is a paper that initially demonstrated the incompleteness of quantum mechanics, and as a result, about half a century later, experiments confirmed the phenomenon of quantum entanglement. Quantum entanglement is the connection between two distant particles, which is the same as the concept that the entrances of two wormholes are connected by a passage. Of course, there is a difference between the macroscopic world and the quantum world.

Quantum entanglement persists over time. Therefore, if the ER=EPR theory is correct, Kip Thorne's wormhole is not self-destroyed by quantum vacuum fluctuations, but can be maintained by quantum entanglement. However, since this wormhole is on a quantum scale, it is not a topic for human travel. So, it is an object of study.

Q9. It is significant that quantum entanglement in the microscopic world and wormholes in the macroscopic world are in principle in common. Could you introduce another approach to research?

There is a study approaching string theory that the fundamental particle of all things in the universe is a string. When the string is broken, both ends become black holes, forming a wormhole. A team led by Professor Diandian Wang of the Department of Physics at the University of California, Santa Barbara, USA, announced this in a paper called 'Creating a traversable wormhole'. It is said that the curvature of space-time keeps the two black holes static and consequently keeps the wormhole entrance open.

Of course, this is not on a scale that a person can pass through. However, it is said that the possibility of the existence of macroscopic wormholes is not zero. In the future, as quantum mechanics and quantum gravity theory develop, the possibility of wormholes and time travel is expected to become clearer.

<pinepines@injurytime.kr>