| {{{#!wiki style="margin:-0px -10px -5px" {{{#ffffff {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="margin-top:-5px;margin-bottom:-12px" {{{#!wiki style="margin:-5px -1px -10px;word-break: keep-all" | |||||||||||
| <colcolor=white> 오리지널 | |||||||||||
| [[Steins;Gate| (2009년) | [[Steins;Gate 0| (2015년) | (미정) | |||||||||
| 외전 | |||||||||||
| Steins;Gate 비익연리의 달링 (2011년) | Steins;Gate 변이공간의 옥텟 (2011년) | Steins;Gate 선형구속의 페노그램 (2013년) | |||||||||
| 패미코레 ADV Steins;Gate (2018년) | |||||||||||
| 리메이크 | |||||||||||
| [[Steins;Gate ELITE| Steins;Gate ELITE (2018년) | [[Steins;Gate 0 ELITE| Steins;Gate 0 ELITE (미정) | ||||||||||
| 리부트 | |||||||||||
| [[Steins;Gate RE:BOOT| Steins;Gate RE:BOOT (2025년) | |||||||||||
| 등장인물 · 설정 · 용어 · 무대탐방 연표 (본편 | 애니메이션) · 공략 (본편 | 제로) 미디어 믹스 · 애니메이션 · 음반 목록 · 커뮤니티 | |||||||||||
| <colbgcolor=black> 타임 트래블 11가지 이론 タイムトラベル11の理論 Time-travel theories (The 11 theories) | |
| | |
| <colcolor=white> 등장 | • 비주얼 노벨: 챕터 1 • 애니메이션: 2화 |
1. 개요
| |
| 강연 중인 마키세 크리스 |
타임 트래블에는 많은 다양한 이론이 있다. 《Steins;Gate》는 주로 블랙홀 이론을 사용한다. 이는 뇌의 데이터(2.5페타바이트[2])를 전화렌지(가칭)으로 전송할 수 있을 만큼 압축하는 방식이다. 비주얼 노벨에서 크리스는 비록 많은 이론이 존재하지만, 그중 11가지가 과학계에서 널리 받아들여지고 있다고 언급한다.
2. 타임 트래블이란?
인류의 꿈, 타임 트래블이란?타임 트래블이란, 과거로 거슬러 올라가거나, 먼 미래로 나아간다는 시공을 초월하는 행위이다. 오랜 세월 동안, 인류의 꿈으로서 수많은 과학자가 이론적인 연구를 계속해왔다. 이하에 소개하는 타임 트래블에 있어서의 「11가지 이론(THE 11 theoretical gates)」은, 그 과정에서 제창된 것들이다.
이 중에는 "이론"만이 존재하는 것, "이론"이 다른 이론에서 부정된 것 등이 있다. 당연하지만 현대에 있어서 타임머신은 만들어져 있지 않다. 일반적으로는 타임머신은 실현 불가능하다고 여겨지고 있으며, 극복해야 할 과제는 많다. 최대의 문제는 타임 패러독스에 의한 인과율의 붕괴일 것이다. 인과율의 붕괴는, 물리 법칙의 모든 것을 부정하는 것이 될지도 모르는 것이다.
3. 이론[3]
3.1. 중성자별 이론
중성자별은, 대질량의 항성이 초신성(#) 폭발을 일으킨 결과 탄생한, 초고밀도의 "별의 잔해"이며, 지표의 중력은 지구의 대략 1,000억 배에 미친다. 이것은 1세제곱 센티미터에 10억 톤의 압력이 가해진다는 것을 의미한다. 강한 중력장에서는 시간이 느리게 나아간다는 것이 상대성 이론에 의해 증명되어 있으므로, 이 천체에서 살(住) 수 있다면, 지구에서의 10년을 7년으로 맞이할 수 있다. 그 환경에서 살(生) 수 있다면이라는 조건이 붙지만…….좀 더 상세히 작성하자면, 중성자별은 거대한 별의 중력 붕괴로 인해 발생할 수 있는 일종의 별의 잔해이다. 이 별들은 지구 질량의 약 466,000배에 해당하는 질량을 가지며, 비록 지름은 10~12km에 불과하지만[4] 이에 따라 매우 높은 중력(1.962×10^12 m/s², 지구의 중력은 9.81 m/s²)을 발휘한다. 중력 시간 팽창에 관해서는, 이러한 별의 표면에서는 시간이 약 30% 더 느리게 흐르게 되며, 이는 누군가 이러한 별로 여행하여 이 중력을 견딜 수 있다면, 그들이 미래로 "여행"할 수 있는 방법을 가지고 있다는 것을 의미한다. 이 이론은 미래로의 시간 여행에만 적용되며, 과거로의 시간 여행은 불가능하다.
3.2. 블랙홀 이론
항성이 중력붕괴를 일으켜 탄생한 블랙홀의 내부는, 엄청난 중력에 의해, 시간과 공간의 역할이 교대한다. 즉, 우리가 산책을 하듯이, 시간을 자유롭게 이동할 수 있게 되는 것이다. 단, 공간의 이동이 불가능하므로, 일단 빨려 들어가면 내부에서 움직일 수 없다. 탈출하기 위해서는, 광속을 넘을 필요가 있다.이러한 블랙홀은 웜홀 다음으로 시간 여행 소설에서 가장 많이 사용되는 소재 중 하나이다. 커 블랙홀 이론은 로이 커(Roy Kerr)의 상대성 이론 계산 결과에서 나온 것이다. 커 블랙홀은 질량과 각운동량은 가지고 있지만, 전하를 가지지 않는 특이점이다. 이 블랙홀은 중심축을 따라 회전하며, 두 개의 사건의 지평선을 가지고 있으며, 여기에는 고리 모양의 특이점이 포함된다. 두 사건의 지평선 각각 안에서는 시간과 공간이 뒤바뀌므로, 커 블랙홀 안에서는 이러한 교환이 두 번 발생한다. 이론적으로는 고리 모양 특이점에서 벗어나는 것이 가능하다고 하지만, 들어온 방식으로 나가는 것은 불가능하며 단순히 그것을 피하는 경우도 있다. 특이점을 통과하면 "negative space"(그 정의는 아직 불분명)에 도달한다. 그것을 피하면 첫 번째 사건의 지평선을 통과하는 동안 시간을 거슬러 올라가게 된다. 아래는 두 명의 시간 여행자가 블랙홀을 통과하는 과정을 보여주는 페넬로즈 다이어그램이다. 짙은 파란색은 특이점을 피하는 경우이고, 연한 파란색은 특이점을 통과하는 경우이다.
| | |
| 커 블랙홀의 페넬로즈 다이어그램[5] | 커 블랙홀의 구조를 보여주는 다이어그램[6] |
| Steins;Gate 타임 트래블 설명 (애니메이션 사이언스) 블랙홀 이론을 설명하는 Wolfborg의 영상 |
3.3. 광속 이론
광속에 가까워질수록, 시간의 흐름이 느려지는 것은 상대성 이론에 의해 증명되어 있다. 극단적으로 말하자면, 빛과 같은 정도의 속도로 24시간 계속 달리면, 주위에서는 48시간이 지난 것이 되어, 꼬박 하루치 미래로 뛰어넘은 것이 된다. 만약 빛보다도 빠르게 이동할 수 있게 된다면, 시간은 역류하여 과거로 향하기 시작한다. 다만, 광속에 한없이 가까워지면 그 물질의 질량은 무한대에 가까워지기 때문에, 이론상으로는 광속을 넘는 가속은 불가능하다.작중 광속 이론이 정확히 무엇을 가리키는지는 불분명하지만, 다른 이론들과의 여러 연결점이 있으며, 모두가 공통적으로 지니는 몇 가지 기본 원칙이 있다. 이들은 모두 다양한 방식으로 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론과 관련되어 있다.
광속과 관련된 시간 여행의 첫 번째 형태는 물질이 광속에 가깝게 가속될 때 발생하는데, 이는 아인슈타인의 상대성 이론에서의 시간 지연 때문에 물질에 대해 시간이 느려지게 된다. 이것은 미래로의 시간 여행에만 사용할 수 있으며, 과거로는 불가능하다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 중성자별 근처로 가는 것인데, 이것이 바로 중성자별 이론이 다루는 바이다. 하지만 광속에 가까운 속도로 가속할 수 있는 방법은 그 외에도 많다. 예를 들어, CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)는 양성자를 광속의 99.9999991%까지 가속하여 시간을 7,454배 느려지게 한다. 즉, 외부 세계에서 7.454초가 흐르는 동안, LHC 내부에서 최대 속도로 움직이는 양성자 중 하나는 단지 1밀리초(0.001초)의 시간이 흐르게 된다. 이 첫 번째 형태의 시간 여행은 사실 공상 과학(SF)이 아닌 자연과학(hard science)이지만, 이를 달성하는 것은 과거가 아닌 오직 미래로의 시간 여행일 뿐이다.
광속보다 빠른 속도로 이동함으로써 과거로 시간을 거슬러 올라가는 여러 이론적 방법들이 존재하는데, 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론 방정식의 해로써 나타난다. 가장 분명한 광속 초과 방법은 타키온 이론에서 다루어지는 빛보다 빠르게 움직이는 가상 입자인 타키온을 통한 것이다. 또 다른 광속 초과 방법으로는 별난 물질 이론에서 다루어지는 알큐비에레 워프 드라이브가 있으며, 이는 비교적 유사한 방식으로 작동한다. 또한 세슘 레이저 광 이론에서 다루어지는, 일반적인 광속보다 더 빠르게 움직이는 빛을 포함하는 방법도 있다. 이 세 가지 이론 모두 시간 여행을 위해 광속보다 빠른 속도로 이동하는 것을 포함한다.
아인슈타인의 상대성 이론에 따라, 아인슈타인 자신이 고안한 사고 실험인 타키온 대전화에서, 알베르트 아인슈타인은 빛보다 빠른 이동 방법을 이용하여 정보를 과거로 보내는 방법을 고안했다. 아인슈타인의 원래 이론은 타키온을 사용했지만, 별난 물질을 사용하는 알큐비에레 워프 드라이브나 세슘 레이저 광 이론에서의 광속보다 빠른 레이저 빛에도 똑같이 적용된다.
그러나 마키세 크리스가 사용한 "광속 이론"은 다른 이론들과는 별개의 이론이었는데, 그녀가 정확히 무엇을 의미했는지는 불분명하다. 왜냐하면 광속과 관련된 시간 여행 이론이 너무 많기 때문에, 그녀가 "광속 이론"이라고 했을 때 그중 어떤 것을 가리킨 것인지 알 수 없기 때문이다.
3.4. 타키온 이론
타키온이란, 허수―제곱하면 마이너스가 되는 수―의 질량을 가진 상상의 입자이다. 이 타키온은, 빛보다도 빠르게 이동할 수 있는 입자라고 한다. 그리고, 빛보다도 느려지는 것은 결코 있을 수 없다. 이 타키온은 실존이 증명되어 있지 않지만, 만약 증명된다면, 존재하고 있는 시점에서 빛을 뛰어넘고 있기 때문에, 즉 그것은 과거로 향하고 있다고 할 수 있다.이러한 타키온, 또는 타키온 입자는 항상 광속보다 빠르게 움직이는 가상 입자이다. 대부분의 물리학자들은 빛보다 빠른 입자는 알려진 물리 법칙들과 일치하지 않기 때문에 존재할 수 없다고 생각한다. 타키온이라 불리는 이러한 입자의 존재가 완전히 배제된 것은 아니지만, 여러 실험들이 그것을 검출하려[7] 시도했으나 성공적이지 못했다. 만약 타키온이 존재하고 일반 물질과 상호작용한다면, 우리는 과거와 소통할 수 있는 수단을 갖게 될 것이다. 타키온은 문자 그대로 외부로 방출되어, 타키온 거울에 반사되고, 그것들이 보내지기[8] 전에 돌아올 수 있다. 이것은 곧 많은 논리적 문제를 야기한다. 예를 들어, 만약 당신이 당신의 아버지가 잉태되기 전의 과거로 당신의 할아버지를 죽게 만드는 메시지를 전송했다면, 당신은 메시지를 보낼 수 없게 될 것이고, 따라서 당신이 태어나지 않았기 때문에 메시지를 보낼 수 없으며, 그렇기 때문에 당신이 태어나지 않아 메시지를 보낼 수 없게 되고… 등등.
빛보다 빠른 입자의 존재에 대한 이론적 반론에도 불구하고, 그것을 찾기 위한 실험들은 진행되어 왔다. 그러나 그 존재에 대한 확실한 증거는 발견되지 않았다. 2011년 9월, CERN의 대규모 발표(major release)에서 타우 중성미자가 빛의 속도보다 빠르게 이동했다는 보고가 있었으나, 이후 CERN의 OPERA 프로젝트에 대한 업데이트에서는 빛보다 빠른 측정값이 "실험의 광섬유 타이밍 시스템의 결함 있는 요소"로 인한 것임이 밝혀졌다.
| 타키온 이론을 설명하는 John Michael Godier의 영상[9] |
3.5. 웜홀 이론
입구와 출구가 있는, 공간의 터널이 웜홀이다. 실존은 증명되어 있지 않다. 웜홀 내에서는 시간이 매우 느리게 흐르고 있으며, 얼마나 떨어진 장소라도 거의 0초로 통과 가능하다. 웜홀의 출입구의 어느 한쪽을 광속이동시켜 "시간차"를 만드는 것으로 타임 트래블이 가능하게 된다. 오해해서는 안 되는 것은, 이것은 블랙홀이 아니라는 것이다. 블랙홀에는 "다른 쪽 출구"는 존재하지 않는다.작중 웜홀 이론은 우주 끈 이론과 마찬가지로 마키세 크리스가 강연회에서 설명한다.
그럼 한 가지 다른 예를 들었던 웜홀 이론은 어떤가요? 이것은 우주끈 이론보다는 조금 현실적일지도 몰라요. 그런데 호오인씨, 웜홀이 어떤 것인지는 아시나요?
마키세 크리스, 비주얼 노벨 챕터 1
마키세 크리스, 비주얼 노벨 챕터 1
공간에 뚫린 구멍 같은 것……이지?
오카베 린타로, 비주얼 노벨 챕터 1
오카베 린타로, 비주얼 노벨 챕터 1
| |
네, 맞아요. 두 개의 구멍이 있는데, 그것들은 터널로 이어져 있어요. 터널은 통과 시간 없이 빠져나갈 수 있죠. 두 구멍이 아무리 떨어져 있어도요.
| |
| |
이른바 별난 물질. 이것은 음의 질량을 가진 물질로, 중력에 반발해요.
(주먹을 쥔 오른손을 들며) 이렇게 꽈~악 쥐고 있는 상태가 웜홀의 터널이에요. 이곳을 지나가기 위해서는 손 안에, 제가 '쥐려고 하는 힘'에 반발하는 무언가를 만들어 꽈~악 쥐게 하지 못하도록 해야 한다는 것이죠.
별난 물질을 주입해 웜홀을 안정시키면 순간이동은 가능해져요. 하지만, 시간 여행을 하려면 여기에서 한 가지 수단이 더 필요해요. 여기에서는 예를 들어, 웜홀의 입구 쪽 구멍이 여기 아키하바라고, 출구 쪽 구멍이 LA라고 하죠. 일단 LA에 있는 구멍을 빛에 가까운 속도로 우주의 끝까지 날린 뒤, 끝까지 갔다면 곧바로 LA로 강제로 끌어당겨 복귀시켜야 해요. 상대성 이론에 의해 빛의 속도로 움직이면 시간은 늦게 흘러요. LA로 돌아온 구멍은 아키하바라에 있는 구멍보다도 과거에 있는 것이 됩니다. 그런 관계로, 그 상태로 호오인씨가 웜홀에 뛰어들면, 몇 년 전의 LA로 가겠죠. 하지만, 이 시점에서는 아직 시간 여행을 한 것이 아니예요. 임의적인 시간 여행이죠. 이른바 우라시마 효과죠[10]. 중요한 것은 그 후에 LA에서 아키하바라로 한 번 더 웜홀을 통해 돌아오는 것, 그러면 그 통과 시간은 제로니까…… 호오인씨는 몇 년 전의 아키하바라에 돌아오게 됩니다. 이것으로 시간 여행은 완료. 웜홀 이론에 필요한 것은 우주끈보다 편해요. 첫 번째, 웜홀 그 자체. 이 우주 어딘가에 혹시 있을지도 모르죠. 찾은 사람은 아직 아무도 없지만요. 두 번째, 웜홀의 구멍을 빛과 동일한 속도로 우주 끝까지 왕복시킬 수 있는 에너지. 세 번째, 별난 물질. 이것은 존재조차 확실하지 않죠.
마키세 크리스, 비주얼 노벨 챕터 1
(주먹을 쥔 오른손을 들며) 이렇게 꽈~악 쥐고 있는 상태가 웜홀의 터널이에요. 이곳을 지나가기 위해서는 손 안에, 제가 '쥐려고 하는 힘'에 반발하는 무언가를 만들어 꽈~악 쥐게 하지 못하도록 해야 한다는 것이죠.
별난 물질을 주입해 웜홀을 안정시키면 순간이동은 가능해져요. 하지만, 시간 여행을 하려면 여기에서 한 가지 수단이 더 필요해요. 여기에서는 예를 들어, 웜홀의 입구 쪽 구멍이 여기 아키하바라고, 출구 쪽 구멍이 LA라고 하죠. 일단 LA에 있는 구멍을 빛에 가까운 속도로 우주의 끝까지 날린 뒤, 끝까지 갔다면 곧바로 LA로 강제로 끌어당겨 복귀시켜야 해요. 상대성 이론에 의해 빛의 속도로 움직이면 시간은 늦게 흘러요. LA로 돌아온 구멍은 아키하바라에 있는 구멍보다도 과거에 있는 것이 됩니다. 그런 관계로, 그 상태로 호오인씨가 웜홀에 뛰어들면, 몇 년 전의 LA로 가겠죠. 하지만, 이 시점에서는 아직 시간 여행을 한 것이 아니예요. 임의적인 시간 여행이죠. 이른바 우라시마 효과죠[10]. 중요한 것은 그 후에 LA에서 아키하바라로 한 번 더 웜홀을 통해 돌아오는 것, 그러면 그 통과 시간은 제로니까…… 호오인씨는 몇 년 전의 아키하바라에 돌아오게 됩니다. 이것으로 시간 여행은 완료. 웜홀 이론에 필요한 것은 우주끈보다 편해요. 첫 번째, 웜홀 그 자체. 이 우주 어딘가에 혹시 있을지도 모르죠. 찾은 사람은 아직 아무도 없지만요. 두 번째, 웜홀의 구멍을 빛과 동일한 속도로 우주 끝까지 왕복시킬 수 있는 에너지. 세 번째, 별난 물질. 이것은 존재조차 확실하지 않죠.
마키세 크리스, 비주얼 노벨 챕터 1
3.6. 별난 물질 이론
별난 물질 이론은, 웜홀 이론의 발전형이다. 별난 물질이란, 마이너스 질량을 가진 물질로, 중력에 반발한다. 웜홀의 터널은, 시간이 매우 느리게 흐르는 대신 엄청난 중력이 걸리고 있어, 개통하면 동시에 찌그러져 버린다. 이를 방지하기 위해서, 중력에 반발하는 물질인 별난 물질을 주입하는 것이다. 단, 별난 물질은 그 존재가 아직 증명되지 않았다.별난 물질은, 웜홀 이론에서 설명된 것처럼, 음의 질량을 가진다. 그러나 《Steins;Gate》가 만들어질 당시에는 별난 물질의 존재가 확인되지 않았기 때문에, 이 음의 질량 역시 타키온 입자의 가상 질량과 유사한 단지 가설적인 성질일 뿐이었다. 이 가상의 질량은 별난 물질이 광속을 초과하여 과거와 소통하는 데 사용될 수 있도록 하는 능력을 부여했을 가능성이 있다.
| 2016년 노벨물리학상: 별난 물질의 위상학적 상전이들과 물질의 위상학적 상들(문은국 KAIST 교수) |
워싱턴 주립대학교의 피터 엥겔스 교수와 그의 동료들은 2017년 4월 10일, 루비듐 원자를 절대 영도 바로 위까지 레이저로 냉각시켜, 별난 물질을 처음 생성했다. 이 과정에서 루비듐은 매우 기묘한(특이한) 양자 유체인 보스-아인슈타인 응축으로 변화했다. 이 응축체는 매우 특이한 성질을 가지고 있었다. 그들은 레이저 트랩을 이용해 보스-아인슈타인 응축체 속 일부 루비듐 원자의 스핀을 역전(반전)시킨 후, 트랩에서 원자들을 방출하고 원자들에게 밀어내는 힘을 가했다. 그러자 원자들은 밀린 방향으로 가지 않고, 오히려 반대 방향으로 움직였다.
| 2017년 워싱턴 주립대학교에서의 엑조틱 물질 발견에 관한 영상 |
아이작 뉴턴의 뉴턴 운동 제2법칙 F = ma (힘은 질량 곱하기 가속도이다) 식에 따르면, 양의 질량을 가진 물체를 밀면 밀린 방향으로 이동하며, 힘과 가속도의 방향은 동일하다. 하지만 만약 어떤 것이 음의 질량을 가진다면, 이 음의 질량을 가진 물체를 밀면 힘과 가속도의 부호는 반대가 되므로, 한 방향으로 힘이 가해지면 음의 질량 물체는 반대 방향으로 가속된다. 이는 중력뿐만 아니라 모든 다른 힘에도 적용된다. 그래서 워싱턴 주립대학교 연구팀이 보스-아인슈타인 응축체 속 루비듐이 밀린 방향의 반대 방향으로 움직이는 것을 관찰했을 때, 이는 그것이 실제로 별난 물질임을 확인시켜주었다.
웜홀을 안정화하여 웜홀을 통한 시간 여행이 가능하도록 하는 데 별난 물질을 사용하는 방식 외에도, 별난 물질을 이용하는 다른 시간 여행 방법이 존재한다. 가장 널리 논의되는 방법은 알쿠비에르 워프 드라이브로, 이는 음의 질량을 가진 공간 영역을 만들기 위해 별난 물질이 필요하며, 시공간을 휘어 공간선을 왜곡시킴으로써 빛보다 빠른 광속 초과 여행을 달성한다. 워프 드라이브를 사용해 우주선 앞쪽의 공간을 수축시키며 우주선 뒤쪽의 공간을 팽창함으로써 빛보다 빠른 여행을 달성한다. 즉, 워프 드라이브를 사용해 우주선 앞쪽의 공간을 수축시키고, 뒤쪽의 공간을 팽창시킨다.
별난 물질을 사용한 알쿠비에르 워프 드라이브가 달성되면, 광속 초과 여행을 통해 타키온과 동일한 메커니즘을 통해 과거로 거슬러 올라갈 수 있다. 이는 알베르트 아인슈타인이 고안한 타키온 대전화 사고 실험에서 설명된 것처럼, 타키온(광속보다 빠른 속도로 움직이는 아원자 입자)을 이용해 정보를 과거로 전송할 수 있다는 것이다. 차이점은, 실제로 우주선을 만들 수 있고, 별난 물질을 사용해 우주선 주위에 알쿠비에르 워프 드라이브를 형성하여, 우주선 내부에 있는 사람과 다른 모든 것을 포함한 '일반 물질'을 과거로 되돌릴 수 있는 물리적 시간 여행이 가능해진다는 것이다. 즉, 타키온은 D메일이나 타임 리프 머신과 유사하게 데이터만 과거로 보낼 수 있는 반면, 알쿠비에르 워프 드라이브는 FG204처럼 물리적 시간 여행에도 사용될 수 있다.
그러나 현실적으로 말하자면, 알쿠비에르 워프 드라이브는 설령 별난 물질이 있다고 하더라도 만들기가 매우 어려우며, 보스-아인슈타인 응축에서 생성된 별난 물질은 다루기 상당히 어렵다. 비록 2017년에 별난 물질의 존재가 실험적으로 입증되었고, 천연 원소인 루비듐으로부터 만들어낼 수 있음이 밝혀졌지만, 그것을 이용해 광속 초과 여행 및 과거로의 시간 여행에 필요한 알쿠비에르 워프 드라이브를 만드는 것은 여전히 공상 과학의 영역에 머물러 있다. 이는 물리학의 어떠한 법칙도 어기는 것이기 때문이 아니라, 단지 그것이 너무나도 비현실적이기 때문이다.
3.7. 우주끈 이론
우주끈이란, 무한의 길이를 가지고, 초중력을 가지는 "소립자 정도의 폭의 틈(균열)"이다. 이것은 주위의 공간을 왜곡하고, 우주 끈의 주위를 360도 이내로 회전할 수 있다. 시공의 뒤틀림에 의해 "순간이동"에 가까운 현상이 일어나는 것이다. 이 "순간이동"을 이용하면, 빛에 한없이 가까운 속도로 날아가는 물질이 광속을 넘지 않고, 빛보다도 먼저 어떤 지점에 도달할 수 있게 된다. 참고로, 비슷한 이름을 가진 초끈 이론과는 혼동해서는 안 된다.타임 트래블을 위한 우주끈 이론은 물리학자 J. 리처드 고트(J. Richard Gott)에 의해 개발되었으며, 폴 데이비스(Paul Davies)의 2002년 저서 《How to Build a Time Machine》에 설명되어 있다. 비주얼 노벨에서, 마키세 크리스는 자신의 강연회에서 우주 끈 이론을 설명한다.
| |
| |
이것은 그 자체로 거대한 질량이기 때문에, 시공을 일그러뜨리는 성질을 가지고 있어요. 그 일그러진 시공을, 끈을 중심으로 여러분이 '빙글'하고 한 바퀴 돌면 360도 이내로 돌아올 수 있죠.
| |
결국 워프 비슷한 것이 가능하다는 것, 이것을 시공의 각도결손이라고 말합니다. 각도결손이 된 곳을 통과하면, 결손된 그 곳의 통과 시간은 제로가 되죠.
이를 응용해 우주끈이 광속에 가까운 속도로 운동하고 있을 때…… 상대성 이론에 의해 우주끈의 시간은 주변보다 늦게 지나가니, 일그러져 있는 각도결손 영역을 통과하면, 원래 제로였던 통과 시간이 마이너스가 돼요. 즉, 통과한 쪽이 '과거'가 되는 거죠. 그래서 두 줄의 우주끈을 사용해 공간결손 점프를 행하여 원래 지점까지 주회하듯 돌아오면, 정확히 주회를 시작한 때와 같은 시간으로 돌아올 수가 있어요. 딱 잘라 말하자면, 그것이 우주끈 이론에 의한 시간 여행입니다.
참고로 오해하지 않으셨으면 하는 것은 우주끈 이론은 초끈 이론과는 별개라는 것입니다. 그래서 우주끈 이론으로 과거로 가기 위한 준비물은 3가지. 첫 번째, 우주끈. 이것은 두 개 필요해요. 아, 그리고 우주끈도 막 태어난 우주밖에 없다는 가정이니 찾으려면 꽤나 고생할지도요. 두 번째, 만약 우주끈을 찾았다면 그것을 빛에 가까운 속도로 운동시키기 위한 에너지가 필요해요. 은하와 같은 길이의 균열을 빛과 나란히 가속시키려면, 그 정도의 에너지가 있어야겠죠. 적어도 1.21 지그와트 이상인 것은 확실해요[11]. 세 번째, 우주끈이 있는 곳까지 가서 돌아오기 위한 우주선. 시간 여행을 할 사람은 여기에 타야만 하겠죠. 어떤가요, 호오인씨. 우주끈 이론으로 시간 여행, 도전하고 싶다고 생각하세요?
마키세 크리스, 비주얼 노벨 챕터 1
참고로 오해하지 않으셨으면 하는 것은 우주끈 이론은 초끈 이론과는 별개라는 것입니다. 그래서 우주끈 이론으로 과거로 가기 위한 준비물은 3가지. 첫 번째, 우주끈. 이것은 두 개 필요해요. 아, 그리고 우주끈도 막 태어난 우주밖에 없다는 가정이니 찾으려면 꽤나 고생할지도요. 두 번째, 만약 우주끈을 찾았다면 그것을 빛에 가까운 속도로 운동시키기 위한 에너지가 필요해요. 은하와 같은 길이의 균열을 빛과 나란히 가속시키려면, 그 정도의 에너지가 있어야겠죠. 적어도 1.21 지그와트 이상인 것은 확실해요[11]. 세 번째, 우주끈이 있는 곳까지 가서 돌아오기 위한 우주선. 시간 여행을 할 사람은 여기에 타야만 하겠죠. 어떤가요, 호오인씨. 우주끈 이론으로 시간 여행, 도전하고 싶다고 생각하세요?
마키세 크리스, 비주얼 노벨 챕터 1
3.8. 양자 중력 이론
일반 상대성 이론과 양자론을 융합한 "궁극의 이론"이다. 다만 이 이론은, 몇 가지 후보―주된 것으로는 초끈 이론, 루프 양자 중력 이론―가 있긴 하지만, 아직 완성되지 않았다. 만약 완성된다면, 미시 레벨부터 거시 레벨까지 모든 물리 현상을 설명하는 것이 가능해진다고 여겨지고 있다. 그 물리 현상에는 "시간"도 포함되므로, 이 이론의 완성은 즉 타임 트래블 원리의 해명도 될 것이다.일반 상대성 이론이 어떻게 양자역학과 통합될 수 있는지를 이해하기 위해, 물리학자들은 양자 중력 이론을 개발하고자 노력해왔다. 양자 중력 모델에는 여러 가지가 있지만, 모든 모델이 시간 여행을 가능하게 하는 것은 않는다. 이를 달성하기 위해서는, 닫힌 시간꼴 곡선(예: 인과 집합 이론)을 포함하는 모델을 사용해야 하는데, 그것은 다음과 같은 개념으로 정의된다.
닫힌 시간꼴 곡선(Closed Timelike Curve, 때때로 줄여서 CTC)은 일반 상대성 이론의 일반 장 방정식에 대한 이론적 해다. 닫힌 시간꼴 곡선에서, 시공간을 통과하는 물체의 세계선은 결국 이전에 있었던 정확히 동일한 시공간 좌표로 되돌아가는 특이한 경로를 따른다. 다시 말해, 닫힌 시간꼴 곡선은 시간 여행을 가능하게 하는 물리학 방정식의 수학적 결과이다.
비록 그것이 물리학자들 사이에서 널리 받아들여지는 이론은 아니지만, "루프 양자 중력"이라 불리는 양자 중력 이론의 한 모델은 시간 여행을 가능하게 할지도 모른다. 루프 양자 중력에서, 중력은 '양자'라고 불리는 입자로 이루어져 있다. 하지만 이 입자들은 광자나 쿼크와 같지 않다. 양자는 공간과 시간 자체의 기초다. 우리가 공간으로 인식하는 것은 사실 양자의 연속이며, 우리가 시간으로 보는 것은 양자가 진화하는 방식이다.
닫힌 시간꼴 곡선은 시간이 스스로 되돌아가는 시공간의 한 구역이 필요하다. 만약 시공간이 대역적 쌍곡(大域的雙曲, globally hyperbolic)이라면, 이러한 현상이 발생할 수 있는 위치는 없다. 따라서, 루프 양자 중력은 시간 여행을 허용하지 않는 것으로 보인다. 그러나 일부 물리학자들은 인과관계 이론이 적용되지 않는 더 큰 스케일을 사용한다면, 시간 여행을 달성할 수 있을지도 모른다고 생각한다.
3.9. 세슘 레이저 광 이론
2000년에 "빛이, 광속의 310배로 나아가는 현상"이 관측되었다. 용기에 세슘 가스를 채우고, 거기에 레이저 광선을 통과시킴으로써, "빛보다도 빠른 물질은 존재하지 않는다"고 한 상대성이론을 부정하는, 놀랄 만한 실험 결과가 도출된 것이다. 광속을 넘는 것은 즉 시간을 역류하는 것이며, 타임 트래블 이론에의 응용이 기대되고 있다.- 관련 기사 1출처
프린스턴의 NEC 연구소에서 왕 리쥔(Lijun Wang) 박사가 수행한 연구는 우리에게 다차원적 현실의 단면을 보여준 듯하다. 최근 왕 박사는 특수 처리된 세슘 가스로 채워진 챔버를 향해 빛의 펄스를 전송했고, 그것이 광속의 최대 300배에 달하는 가속된 속도로 챔버를 통과하는 것을 기록하면서 시간 여행의 가능성을 입증했다.
펄스가 완전히 챔버에 들어가기 전, 왕 박사는 그것이 실험실에서 60피트 떨어진 지점에서 동시에 나타났다고 보고했다. 사실상 펄스는 두 곳에 동시에 존재한 것이다. 따라서 왕 박사는 이전에 규정된 물체가 초당 18만 6천 마일이라는 기존의 한계를 초과하는 속도로 움직일 수 있다는 것을 증명했을 뿐만 아니라, 물체가 빛의 속도에 가까워지거나 초과하는 속도로 이동할 때 시간이 느려진다는 아인슈타인의 이론을 증명했다. 이 의미는 상상을 초월한다. 왕의 연구는 시간 여행이 충분히 가능하다는 암시를 제공한다.
- 관련 기사 2[12]
미국 NEC 코퍼레이션(NEC)의 기초연구부 과학자들은, 초광속[13] 빛 전파 실험을 성공적으로 수행하여 빛이 진공 상태에서 알려진 속도보다 더 빠르게 이동할 수 있음을 증명했다고 주장한다. 비록 진공에서의 빛의 속도를 초과했지만, 이 실험은 아인슈타인의 상대성 이론과 모순되지 않으며 기존의 물리학 이론으로 설명이 가능하다. 네트워크와 컴퓨터에서 정보 전송 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 이 연구는, NEC 연구 과학자인 왕 리쥔 박사, 알렉산더 쿠즈미치(Alexander Kuzmich) 박사, 아서 도가리우(Arthur Dogariu) 박사에 의해 《네이처》에 발표되었다.
실험에서, NEC 과학자들은 빛의 펄스가 세슘 가스가 들어있는 길이 6cm의 특별히 준비된 챔버를 통과하는 데 걸리는 시간을 측정했다. 3마이크로초 길이의 빛 펄스는 일반적으로 진공 상태에서 챔버를 통과하는 데 단지 0.2나노초 밖에 걸리지 않는다. 그러나 특수 준비된 챔버를 통과했을 때, 빛은 진공 상태에서 챔버를 통과했을 때보다 62나노초 더 일찍 나타났다. 이 특이한 현상는 자연에서 투명한 물질에서는 관찰되지 않는 효과인 "비정상 분산(anomalous dispersion)"의 결과이며, 챔버에 사용되는 세슘 가스의 비자연적인 열 상태에 의해 만들어진다.
빛의 펄스는 여러 구성 요소로 이루어져 있으며, 각 성분은 서로 다른 파장을 가지고 있다. 태양광이 프리즘을 통과할 때 "정상 분산(normal dispersion)"으로 인해 구성 색상으로 분해되는 것을 보면 알 수 있다. 그러나 빛의 구성 요소 파장에 대한 비정상 분산의 효과는 그것들을 변형시키는 것이다. 비정상 분산은 진공에서 짧은 구성 요소가 챔버에서는 더 긴 파장을 가지게 하고, 반대로 진공에서 파장이 긴 구성 요소가 챔버에서는 더 짧은 파장을 가지게 한다. 정상 분산과는 달리, 비정상 분산은 빛 펄스가 전파 방향을 따라 먼 지점에서 다시 나타나게 하고, 챔버에 들어온 빛 펄스와 동일한 모양을 만들어내는 놀라운 효과를 가지고 있다. 따라서 광 펄스는 두 지점 사이의 거리를 진공 속도보다 더 빨리 이동할 수 있다.저희의 실험은 빛의 속도보다 빠르게 움직일 수 있는 것은 없다는 일반적인 오해가 틀렸음을 보여줍니다. 그러나 아인슈타인의 상대성 이론은 여전히 유효합니다. 왜냐하면 정보는 여전히 진공 상태에서의 빛의 속도보다 빠르게 전달될 수 없다고 말하는 것은 옳기 때문입니다. 저희는 빛의 본질을 계속 연구할 것이며, 이는 우리가 자연 세계에 대한 더 나은 통찰력을 제공하고, 인류 전체에 이익이 되는 평화로운 응용을 향한 새로운 사고를 더욱 자극할 수 있기를 바랍니다.[14]왕 리쥔 박사
- 관련 기사 3[15]
과학자들은 빛의 펄스가 들어가기도 전에 가스 구름에서 나오는 것을 목격했다. 이 놀랍고 당혹스러운 관찰은 미국 프린스턴의 NEC 연구소의 연구원들에 의해 이루어졌다. 그들은 레이저, 냉각된(cold) 세슘 원자가 들어 있는 챔버, 그리고 초고속 스톱워치를 사용하는 실험을 수행했다. 최종 결과는 이론적으로 정해진 빛의 속도 한계의 300배로 이동한 빛줄기(beam)였다. 아인슈타인은 광속의 장벽을 깨는 것은 물리적으로 불가능하다고 말했었는데, 그 이유는 광속의 장벽을 깨는 것이 곧 시간 여행을 의미하기 때문이었다.
…
그러나 NEC 과학자들은 자신들의 연구가 아인슈타인의 이론을 위반하지 않는다고 생각한다. 《네이처》 저널에 기고한 왕 리쥔 박사와 동료들은, 자신들의 빛이 원자 트랩(atom trap)을 너무 빠르게 통과해서 펄스 정점의 앞쪽 가장자리가 들어가기 전에 실제로 빠져나갔다고 밝혔다. 만약 이것이 혼란스럽게 들린다면, 걱정하지 않아도 된다. 많은 물리학자들조차도 빛의 파동적 특성에서 비롯된 자연스러운 결과라고 설명하면서도 여전히 불편해하고 있다.
왕 박사 팀의 연구는 놀랍지만, 이런 종류의 "트릭"이 수행된 것이 처음은 아니다. 그러나 가장 극적인 시연임은 분명하다. 올해 초, 한 물리학자 팀은 마이크로파 빔을 광속보다 7% 빠르게 이동시켰다. 지난해에는 빛을 거의 기어갈 정도로 느리게 만드는 데에도 성공했다고 발표했다.
- 기타
또한 《The Guardian》 기사에는 "빛은 시간을 거슬러 올라간다"[16]라는 오해의 소지가 있는 기사도 있다.
초극한(superliminal) 세슘 레이저 펄스에 대한 과학 논문은 「Gain-assisted superluminal light propagation」[17]라는 제목으로, L. J. Wang, A. Kuzmich & A. Dogariu가 저자이며, 《네이처》에 발표되었다.
비슷한 이전 실험(2000)은 이탈리아 과학자 D. Mugnai, A. Ranfagni, R. Ruggeri에 의해 마이크로파를 사용해 이루어졌으며, 《Physical Review Letters》에 「Observation of Superluminal Behaviors in Wave Propagation」[18]이라는 제목으로 발표되었다.
더 이른 시기(1999)에, G. Nimtz는 「Evanescent modes are not necessarily Einstein causal」[19](쾰른 대학교 제2 물리학 연구소, 독일 쾰른, Zülpicherstrasse 77, 50937[20])라는 그의 논문에서, 자신의 팀이 모차르트의 교향곡 40번을 마이크로파로 인코딩하여 그 '신호'가 4.7c(시간을 거슬러)로 전송되었다고 보고했지만, 대다수의 과학자들은 님츠가 그의 결과를 잘못 해석했으며, 신호는 단지 c(시간 역행이 아닌)에서만 전송되었다고 본다.
3.10. 소립자 링 레이저 이론
2000년에 발표된, 빛 자체에 의해 공간을 왜곡시켜 블랙홀과 비슷한 현상을 만들어내는 타임머신에 관한 이론. 태양의 중심부에도 필적하는 강한 열을 만들어내는 레이저 광선을 나선형으로 무수히 방사한다. 그 링과 같은 빛의 터널 속으로 소립자를 발사하면, 소립자는 시간을 거슬러 올라간다. 다만, 과거로 보낼 수 있는 것은 소립자뿐이며, 게다가 머신이 최초로 가동된 시점보다 과거로는 되돌릴 수 없다.소립자 링 레이저 이론은 코네티컷주 스토어스에 위치한 코네티컷 대학교의 로널드 말렛 교수가 개발한 타임 트래블 이론이다. 이 이론은 링 레이저를 사용하여 닫힌 시간꼴 곡선(또는 줄여서 CTC)을 생성하는 것을 포함한다. 이는 오래된 타임 트래블 이론인 티플러 원통을 기반으로 하지만, 티플러 원통은 무한히 길어야 했기 때문에 로널드 말렛은 오직 링 레이저만으로 CTC를 생성하는 더 나은 방법을 고안해냈다.
기본적으로 링 레이저의 순환 광선(circulating light)은 이론적으로 시공간을 비틀어 공간의 차원을 일반적으로 통과할 수 있는 것처럼 시간의 차원을 횡단할 수 있도록 한다. 그러면 이론적으로 우주에서 그러한 것처럼, 시간도 어느 방향으로든 이동할 수 있다[21]. 이 이론은 감마선이나 자기장을 생성하여 시간을 CTC로 왜곡시키는 방식으로 작동한다. 이론적으로는 이는 인간의 물리적 타임 트래블에 사용할 수 있다.
로널드 말렛 교수는 1970년대부터 수십 년 동안 이 이론에 기반한 타임머신을 만들기 위해 노력해왔으며, 이를 실현 및 결실을 맺기 위해 수년에 걸쳐 자신의 이론을 개선해 왔다. 그는 이 이론을 2002년에야 공개했으며, 실험 물리학자가 아닌 이론 물리학자이기 때문에, 코네티컷 대학교의 실험 물리학자와 함께 타임머신을 제작하기 위해 연구하고 있다. 그는 시간 여행에 대해 진지하게 연구해 온 몇 안 되는 주류 과학자 중 한 명으로, 자신의 이론을 기반으로 타임머신을 만들기 위해 평생을 바쳤다. 그가 시간 여행에 처음으로 관심을 갖게 된 것은, 10살 때 33세였던 아버지가 심장마비로 세상을 떠난 이후였다. 1년 뒤인 11살 때, 로널드 말렛은 H.G. 웰스의 《타임머신》의 만화판을 읽었고, 즉시 타임머신을 만들겠다고 결심하며 이후 남은 생애를 이 일에 바쳤다.
로널드 말렛은 1973년 펜실베이니아 주립대학교에서 물리학 박사 학위를 취득했으며, 1975년 코네티컷 대학교 물리학 조교수로 부임했고, 1987년 정교수로 승진했다. 그는 이론 및 실험 물리학 분야에서 다수의 권위 있는 상을 받았다. 현재는 명예교수로서 재직하고 있으며, 교수직에서는 은퇴하고 시간 여행 연구에 더 많은 시간을 쏟고 있다. 그는 과학계에서 배척당할까 두려워 이 시간 여행 이론을 오랫동안 세상에 알리지 않고 완전히 비밀로 유지했으나, 2002년 국제 이론 물리학자 모임[22]에서 자신의 시간 여행 이론을 발표했을 때 열렬한 환영을 받았고, 그의 아이디어는 매우 진지하게 받아들여졌다. 이후 그는 코네티컷 대학교의 실험 물리학자와 함께 타임머신 제작에 착수할 수 있었다.
물리학자 켄 올럼(Ken Olum)과 앨런 에버렛(Allen Everett)은 2005년에 로널드 말렛의 링 레이저 시간 여행 이론을 반박하는 논문을 작성했다. 그들의 비판 중 하나는, 말렛의 이론에서 시공간이 "line source"라고 불리는 특이점을 포함하고 있다는 것인데, 이 특이점은 링 레이저 타임머신이 꺼져 있어도 존재한다는 점이다. 그러나 특이점이란, 지구 시공간의 임의의 위치에서 아무런 이유 없이 무작위로 나타나는 것이 아니므로 문제가 되었다.
또 다른 비판은, 말렛이 말하는 방식으로 시공간을 비트는 데 필요한 에너지는 링 레이저의 둘레가 관측 가능한 우주보다 몇 배나 커야 한다는 것이다. 세 번째 비판은, 스티븐 호킹이 1992년에 쓴 시간 순서 보호 가설[23] 논문의 정리에 따르면, 이론적으로는 별난 물질을 사용하지 않고는 유한한 공간 안에서 CTC를 생성할 수 없다는 것이다. 다만 line source는 길이가 무한하기 때문에, 실제로 line source가 존재한다면, 이 부분은 적용되지 않는다.
따라서 line source의 존재를 받아들인다면, 유일하게 남는 비판은 필요한 에너지의 양에 관한 것이다. 로널드 말렛은 필요한 에너지량을 줄이는 방안을 고안했는데, 바로 레이저 빛이 빛의 속도의 작은 일부(small fraction)로 속도를 늦추는 매질을 통과하게 하는 것이다. 그러나 물리학자 J. 리처드 고트(스스로(himself) 시간 여행에 대한 우주 끈 이론의 창시자이자 타임머신이 가능하다고 믿는 인물)는 이 해결책을 비판하며 빛의 속도를 늦추는 데 아무 것도 달성할 수 없을 것이라고 말했으며, 이에 로널드 말렛은 결국 빛의 속도를 감속시키는 아이디어를 포기했다.
로널드 말렛은 필요한 에너지의 양을 줄이기 위한 또 다른 방안을 제시했는데, 바로 인간이나 거대한 물체를 과거로 보내는 대신, 오직 아원자 입자나 정보만을 과거로 보내는 것이었다. 이렇게 하면 링 레이저 시스템에 필요한 에너지량이 훨씬 줄어들어 실현 가능성 또한 훨씬 높아지기 때문이다. (이는 《Steins;Gate》에서 물리적인 타임머신보다 D메일이 구축하는 데 훨씬 더 실현 가능성이 높은 것과 같은 원리다.)
로널드 말렛은 자신의 타임머신이 역설(paradox)을 일으킬 것이라고 생각하지 않고, 대신 과거를 바꿀 경우 양자역학의 다세계 해석에 따라 현실이 평행우주로 전이될 것이라고 믿는다. 이는 《Steins;Gate》의 어트랙터 필드 이론과 세계선 개념과 유사하다. 아래에 로널드 말렛이 자신의 시간 여행 연구에 대해 이야기하는 WPSU 공영방송의 영상 인터뷰가 있다.
| 타임 트래블러 – 론 말렛 – 펜실베이니아주에서의 대화[24] 타임머신을 개발하려는 자신의 연구에 대해 이야기하는 로널드 말렛 |
3.11. 디랙의 반입자 이론
반입자란 음의 에너지이다. 물리학자 폴 디랙은, 진공 상태에 대해서 "반입자가 빼곡하게 빈틈없이 차 있어서, 이 이상 새로운 반입자가 태어날 수 없는 상태"라고 정의했다. 이것이 이른바 디랙의 바다이다. 반입자는 타키온과 비슷하게 "시간을 거슬러 올라가는 물질"이며, 만약 그 존재가 증명된다면, 타임 트래블도 가능하게 되지 않을까라고 기대되고 있다.디랙 반입자 이론[25], 더 흔히 디랙 홀 이론(Dirac hole theory)이라고 알려진 이론은 1929년에 폴 디랙이 제시한, 반물질의 존재를 설명하기 위한 최초의 이론이다. 이 이론은 1928년에 공식화된 디랙 방정식에서 유래되었는데, 이는 슈뢰딩거 방정식의 상대론적 버전으로, 슈뢰딩거 방정식을 개선하여 아인슈타인의 상대성 이론과 양립할 수 있도록 했다[26]. 디랙 방정식은 오늘날까지도 사용되고 있으며, 많은 다른 방정식들이 이 방정식을 기반하고 있다.
디랙 방정식의 음(負) 에너지 해는 1929년 폴 디랙과 다른 학자들에 의해 발견되었다. 이것은 현실에서 관측된 적이 없었기 때문에 문제가 되었고, 전자가 광자를 반복적으로 방출하며 무한히 많은 음에너지 상태로 들어갈 수 있도록 할 수 있었기 때문이다. 이는 실제로 일어나지 않는 일이며, 원자의 거동과도 맞지 않고, 에너지 보존 법칙을 완전히 무너뜨려버릴 것이다. 폴 디랙은 1930년에 제안한 디랙 홀 이론으로 이 문제를 해결했다. 이 이론은 우리 우주의 모든 지점에 디랙의 바다라고 불리는 무한한 음에너지의 “바다”가 연결되어 있으며, 디랙의 바다에 “구멍”이 있으면 우리 세계에서는 반물질로 나타난다는 것이다. 전자는 디랙의 바다에 이미 음에너지 전자들로 채워져 있기 때문에 음에너지 상태로 떨어질 수 없다. 1932년, 칼 데이비드 앤더슨(Carl David Anderson)에 의해 반물질이 실험적으로 발견되면서, 디랙 홀 이론은 실험적으로 확인되었다.
또 다른 이론인 양자장론도 수년에 걸쳐 점진적으로 발전했으며, 반물질의 설명에 있어 디랙 홀 이론에 비해 더 선호되는 설명이 되었고, 그것은 수학적으로는 동일하며(정확히 동일한 디랙 방정식을 사용한다), 폴 디랙 또한 양자장론에 중요한 기여를 했다. 그러나 디랙 홀 이론, 즉 디랙 반입자 이론과 그에 대응하는 디랙의 바다는 여전히 여러 중요한 이론적 예측을 제시하고 설명할 수 있는 것들이 많이 있다. 예를 들어, 《Chaos;HEAd》에서는 디랙 홀 이론과 디랙의 바다가 리얼 부팅(real-booting), DI-소드, 기가로매니악, 그리고 프로젝트 노아의 기술을 설명하는 데 중요한 부분을 차지한다. 아래의 영상은 반물질과 디랙 홀 이론을 설명한다.
| 반입자란 무엇인가? - 디랙 홀 이론 반물질과 디랙 홀 이론(일명 디랙 반입자 이론)을 설명하는 영상[27] |
디랙 홀 이론, 혹은 《Steins;Gate》에서 디랙 반입자 이론이라고도 불리는 이 이론은 시간 여행을 설명하는 데에도 사용될 수 있다. 사실, 이는 매우 간단한 설명이다. 반물질은 수학적으로 볼 때 물질과 완전히 동일하나, 단지 시간 값을 수학적으로 부정(negative)했을 때 차이가 생긴다. 시간의 값과 속도, 운동량, 각운동량과 같은 시간의 홀수 거듭제곱을 사용하는 관련 양(가속도, 힘, 일, 에너지처럼 시간의 짝수 거듭제곱을 사용하는 양은 음수를 제곱하면 양수가 되므로, 변하지 않음)을 제외하면 알 수 있다. 이것은 왜 전자는 +½의 스핀을 가지지만, 양전자(전자의 반물질)는 –½의 스핀을 가지는지를 설명한다. 스핀은 각운동량의 척도이며, 각운동량은 시간의 홀수 거듭제곱을 포함하기 때문에, 시간이 부정되면 스핀도 부정된다. 전하가 스핀으로부터 유도되는 방식 때문에, 전자는 음전하를 가지고, 양전자는 양전하를 가지게 된다. 이 때문에 양전자는 "양전하를 가진 전자(positively charged electron)"라는 의미의 줄임말인 "양전자(positron)"라고 불린다.
그렇다면 시간의 음수 값은 실제로 무엇을 의미하는가? 간단히 말해, 그것은 반물질의 경우 시간은 물질과 반대 방향으로 흐른다는 것을 의미한다. 물질은 과거에서 현재를 거쳐 미래로 이동하는 반면, 반물질은 미래에서 현재를 거쳐 과거로 이동한다. 우주의 시간 화살표가 과거에서 미래로 흐르는 방식은 우주가 반물질보다 물질이 훨씬 더 많기 때문이며, 물질의 경우에는 과거에서 미래로 시간이 흐른다는 사실과 밀접하게 관련되어 있다. 만약 우주가 물질 대신 반물질로 이루어져 있었다면, 과거와 미래는 뒤바뀌게 되었을 것이며, 인과관계의 방향 또한 바뀌었을 것이다. 즉, 미래의 사건이 원인이 되고, 그 결과가 과거에서 나타나는 것이다. 따라서, 물질 대신 반물질로 이루어진 우주에서는 일상생활에서 아무도 차이를 눈치채지 못할 것이다.
어쨌든 중요한 점은, 반물질은 물질처럼 시간을 앞으로 이동하는 것이 아니라 시간을 거꾸로 이동한다는 것이다. 사실 이는 예상 가능한 일인데, 왜냐하면 물리학 법칙에는 많은 대칭성이 있으며, 시간은 양방향이 아닌 한 방향으로만 흐른다면 시간 대칭성이 깨지기 때문에 이것은 나쁜 일이다. 이 점은 마치 반물질을 이용해 과거로 정보를 보낼 수 있을 것처럼 보일 수 있다. 사실, 전자-양전자 쌍 생성과 소멸 과정을 하나의 전자와 양전자가 감마선으로부터 동시에 생겨나거나 진공에서 자발적으로 생겨나 짧은 시간 동안 존재하다가 다시 감마선이나 진공으로 소멸하는 과정으로 설명하기보다는, 하나의 전자/양전자 입자가 일종의 폐쇄 시간 루프 속에 갇혀 있는 것으로 설명할 수도 있다. 즉, 이 입자가 일종의 닫힌 시간 루프를 통해 쌍 생성 순간부터 양전자로서의 소멸 순간까지는 시간적으로 앞에 존재하고, 소멸 순간부터 쌍 생성 순간까지는 양전자로서 뒤로 시간에 존재하는 것이다. 따라서 쌍 생성에서 관측되는 전자와 양전자는 사실상 동일한 입자이며, 두 개의 개별 입자가 아닌 서로 다른 시간 루프의 구간에서 관측되는 것일 뿐인 것처럼, 입자가 특정한 시간 구간 전후에는 존재하지 않는 것처럼 보이게 한다.
하지만 이 이론에는 몇 가지 비현실적인 점들이 있다.
첫째, 정보를 과거로 보내는 것은 불가능하다는 이론이 존재한다. 실제로 이는, 물질 입자들 사이에서는 물질 입자가 미래에서 과거로 오는 정보를 보내거나 받을 수 없으며, 반물질 입자들 사이에서는 과거에서 미래로 오는 정보를 보내거나 받을 수 없음을 의미한다. 물질과 반물질은 각각 시간과 인과관계를 한 방향으로만 경험하며, 물질과 반물질은 서로 반대되는 관계일 뿐이고, 서로 전환될 수 없으며, 오직 쌍으로 생성되거나 소멸될 수 있기 때문에, 이 방법을 사용하여 미래의 물질로 이루어진 사람이 과거의 물질로 이루어진 사람에게 과거로 정보를 보내는 것은 불가능하다.
둘째, 반물질은 만들기가 매우 어렵고, 상당한 양을 생산하는 것은 비현실적이다. 현재 가장 많은 양의 반물질은 2000년에 가동을 시작한 스위스 제네바 바로 외곽의 프랑스에 있는 CERN의 반물질 공장(Antimatter Factory)에서 생산되고 있다. 그 이전에는 1985년부터 2011년 사이에 미국 일리노이주 바타비아에 있는 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)의 반양성자 원천(Antiproton Source)에서 가장 많은 양의 반물질을 생산했으나, 2011년에 폐쇄되었다. 아래의 영상은 CERN에서의 반물질 생산에 대한 개요를 간략히 설명한다.
| CERN의 반물질 생산에 대한 Physics Girl의 영상 |
셋째, 반물질은 물질과 충돌하는 즉시 소멸하기 때문에 다루기가 매우 어렵다. 이러한 소멸 과정은 정보가 과거로 보내지는 것을 방해하는 것으로 여겨지지만, 설령 반물질을 사용하여 정보를 과거로 보내는 것이 가능하다고 하더라도 매우 어려울 것이다. 반물질 입자는 일반적으로 극히 짧은 시간 동안만 생존하기 때문에, 정보를 과거로 보내는 데 사용할 수 있다고 하더라도, 극히 짧은 순간보다 더 오래된 과거로 정보를 보내기는 어려울 것이다.
이보다 더 오래된 과거로 정보를 보내려면, 반물질을 주변 물질과 분리시켜 진공 속에 고립시키고, 레이저나 전자기장 같은 장치로 제자리에 고정해야 한다. CERN과 페르미 국립 가속기 연구소는 이런 기술을 보유하고 있으며, 이를 이용해 반물질을 저장하고 있으므로, 따라서 이 이론의 이 부분은 가능하다. 그러나 이렇게 반물질을 저장하면 물질과 상호작용하지 못하게 되므로, 반물질로부터 정보를 얻을 수 없게 된다. 이는 반물질을 이용해 과거로 정보를 보내려는 사람에게는 심각한 문제가 된다.
그리고 반물질로부터 정보를 얻으려면, 생성된 직후와 같은 더 이른 시점에 정보를 얻고, 이후 일정 시간 동안 안정적으로 반물질을 유지하여 미래로부터 정보를 얻을 수 있도록 해야 한다. 그러나 이는 아직 CERN이나 페르미 국립 가속기 연구소에서도 개발하지 못한 기술이다. 따라서 반물질을 과거로 정보를 보내는 데 사용한다 하더라도, 실용성(현실성)은 매우 떨어질 것이다.
그러나 이를 위한 한 가지 방법은, CERN과 페르미 국립 가속기 연구소가 이미 보유한 반물질을 저장하는 기술로 안정적으로 저장된 반물질에서 광자를 반사시키는 것이다. 이러한 광자는 반물질로부터 정보를 얻을 수 있는데, 마치 빛의 광자가 물질에 반사되어 우리의 눈에 도달하면 볼 수 있는 것처럼, 시신경을 통해 물질에 대한 정보가 뇌로 전달되는 것과 같은 원리이다. 이러한 광자는 레이저나 전자기장에 의해 고정된 반물질을 방해하거나 제자리를 벗어나게 하지 않기 위해, 라디오파나 마이크로파 같은 저에너지 광자여야 할 것이다.
하지만 이러한 기술이 개발된다 하더라도, 광자를 통해 반물질에서 정보를 얻으려면 반물질에 데이터 비트를 저장하는 방법이 발명되어야 하며, 이는 미래에서 이루어져야 하고, 과거에서 동일한 데이터를 검색해야 한다. 반물질은 일반적으로 원자나 분자가 아닌 개별 아원자 입자이기에, 이 방법은 먼저 물질을 이용하여 개발될 것이다. 즉, 과거에서 물질의 아원자 입자에 데이터 조각들을 저장하고, 미래에서 그 데이터를 검색하는 방법이 먼저 개발되어야 하며, 이는 반물질을 사용하는 것보다 쉽기 때문이다. 그것이 물질을 사용하여 완성된 후에는 시간을 거꾸로 되돌리는 것을 제외하고 반물질에도 적용할 수 있을 것이다. 이를 통해 정보를 과거로 보낼 수 있을 것이다.
아직 물질을 사용하여 이를 수행하는 방법을 아무도 모르기 때문에, 시간이 거꾸로 된 반물질로, 이를 수행하는 것은 현재 기술을 넘어서는 것이다. 또한, 설령 물질로 가능하다 하더라도, 그것이 반물질에서 시간 역전 상태로도 가능한지는 전혀 알 수 없다. 이러한 실험을 통해 과학자들은 실험적으로 정보를 과거로 보낼 수 있는지의 여부를 판정할 수 있을 것이다. 지금까지 이에 대한 실험 데이터는 없으며, 오직 이론만 존재한다. 즉, 이것은 불가능하다고 주장하는 주류 이론(아직 증명된 것은 아니지만 과학적 합의)과, 이 이론에 의문을 제기하는 다른 사람들이 있는데, 만약 반물질을 사용하여 데이터 조각을 과거로 보낼 수 있음을 실험적으로 입증함으로써 기존 이론을 반박할 수도 있을 것이다.
3.12. 12번째 이론
12번째 이론이란, 오카베와 다루, 크리스가 만들어낸 전화렌지(가칭)에 의한 D메일, 타임 리프 머신에 의한 타임 리프이다. 그 원리는 전화렌지(가칭)에 의해 커 블랙홀을 발생시키고, 거기에 전자를 주입해서 중력을 컨트롤하는 것으로 링 특이점을 벌거숭이로 만든다는 것이다. 벌거숭이가 된 링 특이점에 메일이나 압축된 기억 데이터를 보내주는 것으로, D메일이나 타임 리프라는 현상이 가능하게 된다.4. 관련 문서
[출처] Steins;Gate 공식 설정 자료집 86페이지[2] 애니메이션에서 마키세 크리스에 따르면[3] 출처: Steins;Gate 공식 자료집 86페이지 + 그외[4] 위키피디아, 중성자별[5] 출처: N. Rumiano[6] 출처: N. Rumiano[7] detect[8] were sent[9] 원문 설명: 타키온 대전화의 개념과 왜 광속보다 빠르게 갈 수 없는가에 대한 탐구.[10] 우라시마 타로 전설에서, 그는 열면 늙어버리게 되는 상자를 받는다.[11] 《백 투 더 퓨처》에 나오는 타임머신인 드로리안으로 과거로 돌아가는 데 필요한 에너지에 관한 농담.[12] 출처(아카이브 기사): https://optics.org/article/8562[13] superluminal[14] 원문: "Our experiment shows that the generally held misconception that nothing can move faster than the speed of light, is wrong. Einstein's Theory of Relativity still stands, however, because it is still correct to say that information cannot be transmitted faster than the vacuum speed of light," said Dr. Lijun Wang. "We will continue to study the nature of light and hopefully it will provide us with a better insight about the natural world and further stimulate new thinking towards peaceful applications that will benefit all humanity."[15] BBC 뉴스, 기사 "Beam smashes light barrier"[16] Light goes backwards in time[17] 이득 보조 초광속 빛 전파 정도로 해석할 수 있다.[18] 파동 전파에서 초광속 거동 관찰 정도로 해석할 수 있다.[19] 소멸 모드가 반드시 아인슈타인 인과관계를 갖는 것은 아니다 정도로 해석할 수 있다.[20] II. Physikalisches Institut, Universität Köln, Zülpicherstrasse 77, 50937 Köln, Germany. 원출처[21] 원문: Then, one could theoretically walk through time in any direction, as one can do in space.[22] international group of theoretical physicists[23] Chronology Protection Conjecture[24] 아버지를 잃어 절망한 론 말렛은 예상치 못한 곳에서 희망을 발견했는데, 그것은 바로 H.G. 웰스의 《타임머신》이었다. 현재 코네티컷 대학교의 물리학 교수인 말렛은 아버지의 죽음으로 자신을 평생에 걸친 타임머신 제작의 탐구로 이끌게 된 과정, 자신의 삶을 바탕으로 한 스파이크 리의 영화, 그리고 시간 여행이 많은 사람들이 생각하는 것만큼 멀리 떨어진 일이 아닐지도 모른다는 점에 대해 이야기한다.[25] Dirac antiparticle theory[26] 슈뢰딩거 방정식의 목적은 전자의 거동을 설명하는 것이었으며, 전자는 보통 빛의 속도에 가깝게 움직이기 때문에, 상대성 이론을 포함하지 않고 빛의 속도에 가까운 운동을 설명하는 방정식은 잘못된 결과를 낳기 때문에 이는 매우 중요했다.[27] 반입자 - 01:09 | 반입자(e, p, n 등) - 06:18 | 디랙 홀 이론 - 23:00 | Crossing Symmetry - 36:00