가까운 미래의 우주선 운항법 워프 드라이브

거꾸로 읽는 천문학개론

가까운 미래의 우주선 운항법 워프 드라이브

기백김 2020. 1. 31. 00:32

오늘 말하려는 워프 드라이브(Warp Drive)를 간단하게 설명하자면, 공간을 일그러뜨려 4차원의 두 점 사이의 거리를 단축시킴으로써 광속에 맞먹거나 혹은 광속을 뛰어넘는 속도로써 목적지에 도달하는 우주선의 운항법을 말한다. 그들로 볼 때는 구닥다리 항법이겠지만 과거 이 지구를 방문했던(혹은 지금도 방문하고 있는) 외계인이 워프 드라이브를 사용했을 수도 있다.

그래도 우리로서는 쇼킹한 방법이니 지구에서 가장 먼 행성인 해왕성까지 4시간 3분, 지구에서 가장 빠른 우주선(뉴호라이즌스 호)으로 8만 년이 걸리는 4.22광년의 프록시마 센터우리까지 2주 안에 도착할 수 있다.(프록시마 센터우리가 자꾸 거론되는 이유는 지구에서 가장 가까운 태양계 밖 행성이기 때문인데, 번외로 이 삼중성·三重星에 인접한 프록시마 b 행성은 외계인의 존재 가능성으로 주목받고 있다. ☞ '우리 뿐인가?')

'창백한 붉은 점' 프록시마 센타우리의 위치

쌍성(雙星)인 알파 센타우리 A, 알파 센타우리 B와 함께 3중성을 이루고 있다.

태양에서 프록시마 센타우리까지 걸리는 시간

그것이 어떻게 가능할까? 이론적인 방법은 의외로 쉽다. 예를 들어 아래의 엔터프라이즈 호가 A지점에서 B지점으로 간다고 할 때 가장 빠른 길은 당연히 직선이다. 하지만 이것은 3차원, 아니 2차원적인 방법으로, 적어도 1522년 마젤란의 항해법을 벗어나지 못했다.* 여기서 가장 빨리 B지점에 이르는 방법은 엔터프라이즈 호가 운행할 공간을 접어(마치 종이접기를 하듯) A와 B를 맞붙딪히는 것이다. 이것이 진정한 4차원 운행법이나 아직은 그것을 뒷받침시켜줄 이론이 없다. 하지만 A와 B 사이의 공간을 일그러뜨려 거리를 좁히는 이론은 존재하니 이것이 바로 워프 드라이브이다. 그것을 그림으로 보자면 아래와 같다.

* 그렇지만 마젤란은 지구가 평평하다는 면(面)의 개념에서 벗어나 처음으로 지구가 둥글다는 공간의 개념을 인지시켜주었다. 그래서 나는 마젤란을 '최초로 3차원 세계에 입문한 사나이'라고 부르는데, 그렇듯 우리에게 3차원이 인지된 것은 불과 500년에 지나지 않는다. 그래서 4차원 세계로의 입문은 아직 요원하다고 보고 있는 것이다. 알다시피 4차원의 세계는 시간과 공간의 개념이 따로 존재하지 않는다. 그래서 지금은 하늘을 올려다보며 그 끝을 찾는 것이 아무 의미없다. 우주가 팽창한다는 것 역시 3차원의 세계에서 4차원을 이해하기 위한 E. 허블의 아이디어일 뿐이다.

워프 드라이브 도해

워프드라이브는 공간을 일그러뜨려 4차원으로 두 점 사이의 거리를 단축시킨 뒤, 빛보다 빨리 목적지에 도착하는 방법이며 광속보다 10배 빠른 속도의 우주선 엔진을 사용한다. 워프드라이브 엔진을 이용하면 단 4시간 만에 지구에서 달까지 이동, 일주일 안에 화성에 도달하는 것이 가능해진다.

워프드라이브는 1994년, 멕시코 물리학자 미구엘 알쿠비에레가 이론으로 소개한 바 있다.

NASA가 실제로 테스트한 워프드라이브는 태양열을 에너지로 활용하기 때문에 연료가 필요 없으며, 빛보다 빠른 속도로 이동이 가능하기 때문에 영화 속 ‘순간이동’과 비슷한 효과를 볼 수 있다.

[출처: 서울신문에서 제공하는 기사입니다.] http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150504601003#csidx60b56dd3eeaaf5e897b5e546cafc8f2

워프 드라이브는 1944년 멕시코의 물리학자 미구엘 알쿠비에레가 처음으로 그 가설을 내세운 이래 꾸준한 관심을 받으며 연구돼 왔다. 그리고 그 이론이 대중적으로 알려지게 된 것은 2012년 9월 미국 휴스턴 하얏트 호텔에서 개최된 '100년 우주선(100 Year Starship)' 심포지움 컨퍼런스에서 였는데, 주제 발표자로 나선 NASA의 엔지니어 해럴드 소니 화이트가 워프 드라이브 운항법에 기초한 빛보다 빠른 초광속 우주여행이 곧 실현된다고 주장했던 것이었다. 이에 워프 드라이브 이론이 컨퍼런스에 참가한 과학자와 일반 우주항공 동호인들 사이에서 입소문이 나게 되었다.

2012년 '100년 우주선' 심포지움 컨퍼런스의 포스터

'100년 우주선'은 전직 우주비행사 출신의 메이 제미슨이 주도하는 프로젝트로 100년 이내에 인간을 태양계 밖 행성으로 보내는 것을 목표로 하고 있다.

가슴에 불을 당기게 만드는 제목의 메이 제미슨 저서들

메이 캐럴 제미슨(Mae C. Jemison 1956~ )

NASA 우주비행사 출신의 공학자요 의사로서, 1992년 인데버 우주왕복선에 탑승하여 최초의 흑인 여성 우주인이 되었다. 유명한 외화 시리즈인 <스타 트랙, 더 넥스트 제네레이션>에 파머 중위 역할로서 직접 출현하기도 하였다.

그런데 해럴드 소니 화이트가 한 말, 즉 '수년 이내에 빛보다 빠른 초광속 우주여행이 현실화된다'는 호언은 정말로 가능성이 있는 것일까? 그가 제시한 '워프장 역학 102'(Warp Field Mechanics 102) 이론을 들여다 보자면 언뜻 그럴싸하다. 이를 이해하기 위해서는 먼저 미구엘 알쿠비에레가 내놓은 가설을 들여다 보아야 하는데, 그가 제시한 가설 속의 우주선이 광속의 속도를 내려면 중력이 우주선 뒤쪽의 공간을 급속히 팽창시킴과 동시에 앞쪽의 공간 또한 같은 속도로 수축시키도록 우주선 주위에 적당한 물질을 배열해야 한다. 그렇게 되면 우주선과 출발점 사이의 거리는 급속하게 증가하는 반면, 우주선과 목적지 사이의 거리는 급속하게 줄어들어 우주선은 아주 빠른 시간에 목적지에 도달할 수가 있는 것이다.

알쿠비에레 워프 드라이브 이론

파도와 같은 원인으로 인해 변형된 시공간은 마치 순간 이동을 하듯 우주선을 빠르게 이동시킨다.

무슨 소리인가 하면, 이를테면 바닷가의 범선을 상기해보자. 가정은 범선이 돛을 내린 상태에서 바람이 부는 경우이다. 이 경우 범선은 바람의 영향을 받지 않았음에도 주변의 출렁이는 파도로 인해 크게 요동을 친다. 이때 범선은 아무런 동력 장치를 가동하지 않아도 물결을 타고 먼 거리를 이동할 수 있는데, 이때 범선은 오직 방향타만을 잡아주면 되는 것이다. 아인슈타인은 상대성이론에서 빛보다 빠른 물질은 존재하지 않는다고 했지만 우주선 주변의 시공간의 변형으로써 빛보다 빠른 효과를 얻을 수 있다는 것이 알쿠비에레 워프 드라이브 이론이다.

알쿠비에레 버블 이론
알쿠비에레 박사는 우주 속에 버블을 그렸다. 알쿠비에레 버블, 혹은 와프 버블이라고도 불리는 이 버블의 앞에서는 시공간이 수축하고, 뒤에서는 시공간이 팽창한다. 이때 우주선은 빠르게 전진하나 우주선이 위치해 있는 시공간, 즉 알쿠비에레 버블 내부는 아무런 공간적 변형이 없다.

원칙적으로 워프 버블의 움직임은 제멋대로 빨라질 수 있다. 또한 상대성 이론에 입각한 빛의 속도에 대한 제약은 시공간 내에만 적용될 뿐 시공간 자체가 왜곡되는 상황에서는 적용되지 않는다. 다시 말해 우주선이 직접 움직이는 게 아니라 버블이 우주선 주변의 시공간을 변형시켜 우주선을 다른 시공간으로 이동시키는 것이므로 알쿠비에레 버블은 상대성 이론과 충돌하지 않으면서 초광속 이동이 가능하게 된다. 이때 버블 내의 시공간은 변하지 않는 만큼 우주선은 물론 우주비행사들에게 가해지는 영향(이를테면 시간 지연이나 길이 수축 같은)도 거의 없다는 게 알쿠비에레 박사의 생각이다.

시공간의 팽창과 수축이 워프 드라이브 이론의 기본임

즉 우주선의 뒤 시공간 ①은 팽창함으로써 척력을 발생시키고, 우주선 앞 시공간 ③은 수축함으로써 인력을 발생시키는데, 이것으로 ② 안정지대에 놓인 우주선의 항성간, 은하간의 초고속 이동이 가능해진다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론 공식은 어떻게 보면 풀기가 매우 어렵다. 물질이 공간에 붙어 있는 방식을 알아내는 측면에서 봤을 때 그렇다. 하지만 발상을 전환하면 무척 쉬워진다. 알쿠비에레 박사는 이를 이용하여 해 워프 버블을 만들기 위해 필요한 물질의 분포 양상을 알아냈다. 다만 그런 양상을 만들어내려면 '음에너지(negative energy)'라는 불명확한 물질의 상태가 있어야 한다는 게 문제였다.

중력을 가장 기초적으로 정의하면 두 물체 간의 인력이라 할 수 있다. 모든 물체는 크기에 상관없이 주변 물체에 인력을 가한다. 아인슈타인은 이 힘이 시공간 내에서 휜다고 봤다. 반면 음에너지는 중력에 반발한다. 음에너지는 시공간을 끌어 모으는 대신 밀쳐낸다. 간단히 말해 알쿠비에레 버블이 유효하려면 우주선 뒤의 시공간을 확장시킬 음에너지가 필요하다.

당연히 지금껏 이러한 음에너지를 측정한 사람은 없다. 양자역학에서는 음에너지가 존재할 것으로 예견하지만 과학자들이 실험실에서 음에너지를 만들어내야만 입증된다. 이를 만들 가능성이 있는 한 가지 방법은 '카시미르 효과(Casimir effect)'를 이용하는 것이다. 이 효과에 기반해 서로 평행한 두 개의 도체 패널을 매우 가까이 놓으면 소량의 음에너지가 만들어질 지도 모른다.

다만 이렇게 소량의 음에너지의 생성에 성공한다고 해도 문제는 남는다. 알쿠비에레 버블이 가능하려면 대다수 과학자들이 만들 수 있는 양을 아득히 뛰어넘는 엄청난 양의 음에너지가 필요하다. 이것이 알쿠비에레 버블의 아킬레스건이다

그런데 화이트는 이런 문제를 돌아갈 비책을 찾았다고 말한다. 컴퓨터 시뮬레이션에서였지만 워프 장(warp field)의 힘과 기하학적 구조를 바꿀 수 있었던 것. 이에 그는 이론상으로는 알쿠비에레 박사가 예측한 양의 수백만 분의 1에 해당하는 작은 음에너지로도 우주선에서 직접 생성시킬 수 있을 정도의 작은 워프 버블은 만들 수 있다고 주장한다.

워프 드라이브의 성공이 우주여행 분야에서 의미하는 바가 어떤지에 대해서는 긴 설명이 필요 없을 것이다. 실현만 된다면 우주 탐험가들은 지구 궤도는 물론 태양계에서도 해방돼 시공간을 넘나드는 외계행성 여행이 가능해진다. 앞서 말한대로 태양계에서 제일 가까운 항성계인 알파 센타우리까지 가려는데 기존 방식으로는 무려 8만 년이 걸리지만 워프 드라이브로는 단 2주 만에 도달할 수 있다.(그림 이하 'UFO와 외계 행성인'에서 발췌)

그후 3년이 지난 2015년 5월 4일, 영국의 <데일리메일>지가 NASA의 워프 드라이브 엔진 개발 소식을 알렸다. 이 엔진은 추진체 없이 전자기장 에너지로만 작동되며 태양 에너지가 활용하기 때문에 연료가 필요치 않다는 것이니, 주렁주렁 달리는 로켓 추진체가 필요없게 된 셈이다. 이는 우주선이 소형화됨을 말해주는 것이니 속도 또한 더욱 빨라질 것이 당연하다. 현재의 예상으로는 달까지 4시간, 화성까지 7일 걸린다 하니 바야흐로 우주항공시대의 새로운 지평이 열렸다 할 수 있겠다. 이 엔진은 우주와 같은 환경의 진공상태에서 테스트가 완료된 것으로 알려졌다

국 일간지 데일리메일은 1일자 보도에서 미국항공우주국(이하 NASA)가 단 시간 안에 달까지 도달할 수 있는 워프드라이브 엔진 개발에 성공했다고 전했다.

워프드라이브는 공간을 일그러뜨려 4차원으로 두 점 사이의 거리를 단축시킨 뒤, 빛보다 빨리 목적지에 도착하는 방법이며 광속보다 10배 빠른 속도의 우주선 엔진을 사용한다. 워프드라이브 엔진을 이용하면 단 4시간 만에 지구에서 달까지 이동, 일주일 안에 화성에 도달하는 것이 가능해진다.

[출처: 서울신문에서 제공하는 기사입니다.] http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150504601003#csidxc121bc9f11e86ba8f0f1249990d355b