1. 다른 별까지의 거리
우주 여행에서 광속을 뛰어넘는다는 개념은 매우 중요하다. 다른 별들은 지구에서 엄청나게 멀리 있기 때문이다. 지구에서 두 번째로 가까운 별인 알파 센타우리를 보자. (첫 번째와 0.1광년 차이인데, 알파 센타우리가 더 친숙하니까!)
지구에서 알파 센타우리까지의 거리는 4.37광년이다. 빛의 속력으로 4년 4개월이 넘게 걸린다. 빛의 속력은 초속 30만km이다. 1초에 30만km를 가니, 빛이 4년 4개월 동안 이동하는 거리는 40조 9536억 km이다.
밤하늘의 별들은 먼 곳에 있는 태양들이다.
각 별들은 그 아래에 궤도를 도는 행성들을 갖고 있다.
인간이 만든 현존하는 가장 빠른 우주 비행체의 속력는 시속 586,800km이다. 알파 센타우리까지 40조 9536억km를 가려면 2,907,975일이 걸리니, 7,967년 동안 이동해야 도착할 수 있다. 고장나지 않고, 충돌하지도 않고, 연료문제 등도 다 해결했을 때 말이다. 광속의 10%인 시속 1억800만km를 실현하더라도 44년이나 걸린다. 우주여행이란 건 이 정도로 비현실적인 거다.
하지만 인간이 만드는 우주선은 해가 갈수록 점점 더 빨라지고 있다. 더욱 기술이 발전하면 어떨까? 광속을 따라잡고 더 빠르게 다른 별로 갈 수 있을까?
2. 광속보다 빨라질 수 없다는 한계
우리가 현재 알고 있는 지식 안에서는 불가능하다. 여기서 다시 아인슈타인의 상대성 이론이 나온다.
어떤 물체가 빨라질수록 그 물체의 길이는 짧아지고 질량은 늘어난다. 버스나 비행기 수준에서는 이걸 느끼지 못하는데, 광속과 비교될 정도로 빨라지면 이 현상을 확인할 수 있다. 그럼 계속 빨라지면 어떻게 될까?
물체가 빨라지면 빨라질수록, 길이는 짧아지고 질량은 늘어나고, 더불어서 속력을 증가시키는 데에 필요한 에너지도 기하급수적으로 증가한다. 그러다가 언젠가 물체의 길이가 0이 되고 질량이 무한대가 되는 시점이 나온다. 그 시점이 바로 광속과 같은 빠르기가 됐을 때다. 우리가 사는 세상에서 광속이란 게 어떤 물리적 기준점이란 것을 알 수 있다.
광속까지 속력을 올리는 데에 필요한 에너지는 얼마나 될까? 기하급수적으로 증가해서 무한대의 에너지가 필요해진다. 그래서 우리는 광속이란 빠르기를 물리적으로 달성할 수 없다고 받아들이고 있다. 현재 우리가 알고 있기로는 어떤 물체의 속력도 광속에 근접조차 할 수 없다. SAD...
3. 우주의 규모
다시 우주의 규모로 돌아와 보자. 밤하늘의 은하수를 본 적이 있는지 모르겠다. 은하수가 대체 뭘까?
우리가 사는 지구는 행성이다. 태양 주위로 행성이 돌고 있는데, 우리가 사는 태양계 같은 행성들의 집합을 행성계(Planetary system)라고 부른다. 이런 행성계가 모여서 성단(Star Cluster)이 되고, 성단이 모여서 은하(Galaxy)가 된다. 우리가 사는 은하를 '우리 은하'라고 부르는데 영어로는 the Milky Way Galaxy라고도 부른다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Milky_Way
은하수(銀河水).
그리스에선 어린 헤라클레스가 빨던 헤라의 젖이 하늘에 뿌려진 것이라 믿었다.
그래서 붙여진 이름이 '젖의 길(Milky Way)'이다. 중국어로는 은의 강(銀河).
제주 방언으로 용의 강(미리내). 일본어로 하늘의 강(天の川)이라 불렀다.
우리 은하는 중앙의 초질량 블랙홀을 중심으로 회전운동을 하고 있다. 위에서 보면 나선을 그리고 있어서 나선형 은하로 분류된다. 회전하는 중심에 여러 개의 긴 팔들이 달려서 같이 회전하고 있다.
https://www.eso.org/public/images/eso1339e/
우리 은하를 위에서 본 모습. 나선형 은하.
은하핵을 중심으로 몇 개의 긴 팔들이 달려서 회전한다.
이 팔이 바로 은하수다. 우리는 밤하늘에서 우리가 살고 있는 나선 은하의 팔 한 쪽을 보고 있는 것이다.
이런 거대한 스케일이 우주의 매력인 것 같다.
우리 은하의 지름은 약 10만 광년에 달한다. 1광년이 9조 4600억 km이니, 10만 광년은 94경 6천조 km다. 그 안에 약 2천억~4천억 개의 별이 있다고 추정하고 있다. 이쯤 되면 인간의 현실감을 넘어 서서 숫자로 밖에 안 보인다. 아까 가깝지만 못 가는 별이 얼마나 떨어져 있다고? 4.37 광년 떨어져 있는 알파 센타우리다. 고작 40조 9536억 km 밖에 안 떨어져 있다. 우왕...
이건 고작 우리 은하의 크기일 뿐이다. 우주에는 무수히 많은 은하가 있다. 은하가 모여서 은하군(group of galaxies)을 이루고, 은하군이 모여서 은하단(galaxy cluster)을 이룬다. 이것이 다시 초은하단(supercluster of galaxies)을 이뤄서 우리가 알고 있는 가장 큰 규모의 집합을 형성한다. 그럼 이게 끝인가? 아니다.
우주의 끝이 어딘지는 영원히 알 수 없다. 우리는 그저 관측 가능한 우주(observable universe)를 볼 뿐이다. 그 밖은 존재하지만 물리적으로 영원히 볼 수 없다. 관측 가능한 우주 안에 최소한 2조 개의 은하가 있다고 한다. 사실 아까 밤하늘의 별이 태양이라고 했는데, 그 중에는 다른 은하가 저 멀리 점처럼 작게 보이는 것들도 섞여 있다.
자, 이제 우리가 생각하는 꿈과 희망이 넘치는 우주 여행으로 돌아와 보자. 뭐 한 백 년쯤 뒤엔 영화처럼 다른 별도 막 가고, 은하계 곳곳에 인간이 사는 행성을 만들고, 다른 은하도 막 진출하고... 할 수 있을까?
4. FTL : 빛보다 빠르게
그럼에도 우주 여행의 로망은 멈추지 않는다! 현실에서는 불가능하더라도 이야기 속에선 빛보다 빠르게! 이렇게 등장한 SF의 우주 여행 개념이 FTL 드라이브이다.
FTL은 Faster Than Light의 약자로 말 그대로 빛보다 빠르다는 뜻이다. SF 장르에서는 빛보다 빠른 여러 추진 장치를 다 합쳐서 FTL 드라이브라고 부른다. 한국어로 말하면 초광속(超光速) 엔진 혹은 초광속 항행이다.
대중적으로 FTL 드라이브 개념이 처음 널리 알려진 건 스타워즈를 통해서였다. 넓은 우주를 무대로 자유롭게 움직이면서 거대한 제국을 건설하는 우주 시대의 로망을 잘 표현한 것이다. 이후 광속을 뛰어넘기 위한 여러가지 가상의 장치가 등장했는데, 어떤 것은 완벽한 판타지이고, 어떤 것은 나름 과학적이었다.
시간이 흐르며 다양한 작품이 나왔고 여러가지 장치가 등장했지만, 전부 종합해 보면 대략 3~4가지 방식으로 통합된다.
(4-1) 초공간 도약(Hyperspace jump) : 물리법칙의 한계가 없는 공간으로
스타워즈를 통해서 널리 알려졌으며, 굉장히 많은 우주 SF 장르에서 등장하는 개념이다. 이것은 '우리 세상에서 빛보다 빨라질 수 없다면, 빛보다 빨라질 수 있는 다른 차원으로 가겠다'라는 아주 단순하고 편리한 개념이다. 완전히 판타지다.
설정의 경우 대부분 이렇다. 과학의 발전과 함께 우리 차원과 다른 새로운 차원을 발견한다. 그런데 그 차원은 물리법칙이 완전히 달라서 ① 빛보다 빨라져도 아무런 제약이 없거나, ② 짧은 거리만 가도 현실세계에서 엄청난 거리를 이동하거나 ...하는 아주 편리한 특징을 가진다. 그래서 인류는 이 공간을 '초공간(하이퍼스페이스)'으로 명명했고, 우주선은 초공간에 진입(in)해서 목표 지점까지 이동한 후 다시 현실 공간으로 나온다(out).
이미지 출처 : https://www.starwars.com/
스타워즈의 초공간. 물리법칙이 달라서 광속을 넘을 수 있다.
SF에서 우주선이 이동할 때 무슨 공간이나 문 같은 걸로 들어가는 대부분이 초공간 도약이다. 용어는 하이퍼스페이스 드라이브(hyperspace drive), 하이퍼스페이스 점프(hyperspace jump), 하이퍼 드라이브(hyper drive) 혹은 아예 다른 용어 등등으로 불린다. 결국 다 같은 개념이다.
그래서 초공간에서 엄청나게 빠른 속도로 움직이거나, 초공간에서 별로 이동을 안 했지만 현실 차원에서는 몇 광년을 이동했거나 하는 결과가 생긴다. 다른 차원에서 이동하기 때문에 보통 현실 차원의 장애물을 뛰어넘는다. 스타워즈에서는 초공간을 이용해서 적 함선의 안에서 갑자기 나타나기도 하고, 스타게이트에서는 지구와의 충돌을 초공간 진입으로 회피하기도 한다.
초공간에 들어오고 나가는 것에 대한 설정은 작품마다 완전히 다르다. 상대의 함선 안으로 이동하는 건 너무 사기적이라는 생각도 있어서, 꽤 많은 작품은 보호막 등의 안으로는 들어가지 못하는 식의 설정을 하고 있다.
(4-2) 웜홀(wormhole) : 두 지점을 이어주는 지름길이자 통로
상대성 이론과 블랙홀 발견의 성과로 중력에 의한 시공간 왜곡을 알게 되었고, 과학자들은 우주의 두 공간을 서로 이어주는 어떤 통로가 존재할 수도 있다는 점을 시사했다. 그리고 그 통로는 아주 먼 거리를 이어주는 지름길이기 때문에, 수백 수천 광년의 거리도 단번에 이동할 수 있다. 공간에 벌레먹은 것처럼 구멍(hole)이 나 있기 때문에, 혹은 통로가 긴 지렁이(worm) 같이 생겼을 거란 이유에서 웜홀(wormhole)이란 이름이 붙여졌다.
스타 게이트에 나오는 웜홀 게이트.
웜홀을 이용해서 여러 세계를 여행한다.
먼 거리를, 가끔은 시간까지도 뛰어넘을 수 있는 웜홀이란 개념은 SF에서 가뭄 속의 단비 같은 존재였다. SF 소설에서는 이런 웜홀을 인위적으로 만들어내는 기술을 개발해냈으니, 보통 그걸 게이트(gate)라고 부른다. 두 지점의 게이트가 공간을 왜곡해서 두 지점의 짧은 통로를 만들어 주는 것이다. SF 작품에서 우주에 거대 게이트가 있는 경우 거의 웜홀 게이트 아니면 초공간 게이트이다. 비슷해 보이지만 상세한 개념은 지금까지 설명한 것처럼 다르다.
참고로 웜홀 이론은 점점 부정되는 추세라고 한다. 블랙홀과 달리 실제로 발견된 적도 없다.
(4-3) 워프(warp) : 공간의 파도를 타고 미끄러지다
워프(warp)라는 건 '휘어지다', '뒤틀어지다'라는 뜻이다. 미국의 유명 드라마 스타트렉(star trek)에서 처음 등장한 워프 드라이브(warp drive)의 개념은, 초광속 엔진의 대표적인 명칭으로 SF 작품에 이름을 떨쳤다. 실제로 그 개념을 올바르게 사용하는지 여부와 별개로 말이다.
이 워프의 개념은 참 재미있다. 우주선은 실제로 이동하지 않는다. 왜냐하면 광속을 넘을 수 없으니까. 대신 우주선의 앞뒤에 있는 공간이 왜곡되면서 우주선을 앞으로 밀어낸다. 아래의 그림을 보자.
워프의 원리.
공간 왜곡 기술로 뒤의 공간을 높여서 앞으로 밀어내고, 앞의 공간을 줄여서 앞으로 빠지게 만든다. .
마치 공간의 파도를 타는 것처럼, 우주선이 앞의 공간으로 '미끄러져 나간다.'
우선 우주선이 있는 주위 공간을 공간왜곡 기술로 '포장'해서 일반 공간과 분리시킨다. 이걸 공간거품이라 부른다. 그후 다시 공간왜곡 기술을 사용해서, 거품의 바로 앞의 공간을 줄어들게 하고 거품의 바로 뒤의 공간은 늘어나게 한다.
이렇게 하면 우주선이 들어 있는 공간은 마치 공간의 파도에 밀려나는 것처럼 스르륵 미끄러지면서 앞으로 나가게 된다. 이건 실제로 우주선이 이동하는 게 아니다. 그러므로 빛의 속력에 가까워지면 에너지가 무한대로 증가해야 한다는 규칙의 영향을 받지 않을 것이란 논리다. 이 공간 제어를 연속적으로 빠르게 해서 광속을 뛰어넘는다.
정말 재미있는 개념이다. 하지만 이런 종류의 공간 제어는 현재로서는 불가능하다고 보기 때문에 역시 불가능의 영역으로 치부된다. 특히 공간을 격리하는 거품 생성이 불가능하다.
워프 드라이브는 모든 FTL 드라이브 중에서 유일하게 '어딘가'로 들어가지 않고, 현실 차원의 우주 공간을 항행한다. 그래서 '그나마' 현실적이라 보고 연구가 되기도 하는 기술이기도 하다. 스타트렉의 워프 항행 중에 주변에 늘어지는 선은 우주 공간의 별이 길게 보이는 것이다. 초공간 도약의 경우 다른 차원 속의 '신비로운 빛'이 보이는 것이고.
스타트렉의 워프.
초공간과 달리 현실 차원에서 별의 빛이 표현된다.
여기까지가 가장 유명한 세 가지 초광속(FTL) 개념이었다.
(4-4) 스페이스 폴드(space-folding) : 공간을 접자
유명하긴 하지만 앞의 셋에 비해 거의 사용되지 않는 편인 기술이다. 중력은 공간을 휘어지게 한다. 그렇다면 중력을 제어해서 먼 거리의 두 공간을 접어버리면 어떨까?
몇 광년이나 떨어진 우주 공간을 인위적으로 접어버린 후
구멍을 뚫어서 단번에 건너뛴다는 개념이다.
공간을 인위적으로 접는 이 기술은 SF 작품마다 다르게 표현된다. 어떨 때는 두 개의 게이트가 공간을 접기도 하고, 어떨 때는 우주선이 스스로 공간을 접기도 한다. 미국 드라마 배틀스타 갤럭티카(battlestar galactica)에는 점프 드라이브(jump drive)라는 개념이 나오는데, 우주선이 자체적으로 두 지점의 공간을 접어서 순간이동하는 기술이다. 초공간 도약이나 웜홀처럼 '이동'하는 게 아니다. 공간의 위치 자체가 단숨에 뒤바뀌는 거다.
사실 이 개념은 웜홀과 굉장히 비슷한데, 같은지 다른지는 작품의 설정에 따라 달라진다. 이동의 개념이 들어가면 사실상 웜홀과 같은 경우도 많다. 순간이동처럼 공간 자체가 바뀌어버리는 경우는 웜홀과 좀 다르다. 어차피 모두 실현 불가능한 기술이기 때문에 일종의 말장난처럼 보이기도 한다.
5. 마치며...
초광속 여행은 우주 SF의 꽃이다. SF작품에 등장하는 초광속 엔진은 비슷해 보이지만 사실은 다르기도 하고, 달라 보이지만 사실은 다 비슷한 개념인 것들도 많다. 실제로는 3~4개 정도의 기술 개념을 이름과 연출만 바꿔서 돌려쓰고 있으니까. 재미있는 건 거의 대부분의 '워프'라고 말하는 기술은 실제로는 워프가 아닌 초공간 도약이다. 진짜 워프가 등장하는 작품은 거의 없다.
마크로스 시리즈의 폴드(fold)는 '접는다'는 말을 썼지만
기술적으로는 초공간 도약이다. '폴드 공간'이라는 초공간에 들어가는 것이다.
초광속 엔진의 이론은 실제로 많은 물리학자들이 연구를 해 봤거나, 혹은 연구하고 있는 개념들이다. 현재로서 실현가능성은 없지만 말이다. '그나마' 워프 드라이브가 가장 가능성이 높다고는 한다. 불가능의 영역인 건 맞는데, 최근 그 불가능한 여러 가지 중 하나는 해결되었다는 말도 얼핏 들은 것 같고...
지난 번에 시간과 속력의 관계에 대해서 신나게 이야기했음에도, 오늘 이야기한 초광속 항행은 99%의 경우에 시간의 상대성과 전혀 상관이 없다. 이유는 작가들이 원하는 건 편하게 우주 공간을 여행하는 것이지, 상대적 시간 개념으로 설정에 골치를 썩는 게 아니기 때문이다. 대부분의 작품이 시간의 상대성을 반영시키는 것을 매우 싫어한다.
초공간은 물리 법칙이 우리 우주랑 다른 공간이라 시간이 똑같단 설정이고, 워프는 애초에 함선이 움직이는 게 아니라 시간과 상관없고, 웜홀도 뭐 그냥 지름길로 가는 거라서 시간이랑 상관없단 논리다. 이건 우주에서 빨리 이동을 하고 싶은 것 뿐인데 시간이 자꾸 바뀌면 굉장히 설정이 힘들어지기 때문에 편리하게 가고자 하는 것으로 보인다.
카우보이 비밥에서는 게이트를 통해 위상차공간(位相差空間)에 들어간다.
마찬가지로 초공간 도약 기술로, 이렇게 게이트를 통해 정해진 길을 이동하는 걸
초공간 레인(hyperspace lane)이라고도 부른다.
또 다른 걸로는 SF 작품들이 의외로 우주의 규모에 대해서 별 생각이 없다. 작품 내의 설정이랑 우주의 크기가 안 맞는 경우가 꽤 많다. 그리고 전체적인 기술력에 비해서 '초광속 여행' 기술만 지나치게 발전해서, 무기나 우주선은 별로 대단한 게 없는데 얼마나 빨리 움직이는 건지 은하와 은하 사이를 순식간에 오가는 경우도 많다. 예컨대 우리 은하에서 가장 가까운 큰 은하는 안드로메다인데 대략 253만 7천 광년쯤 떨어져 있다. 이걸 단시간에 흠... 참고로 꽤 많은 SF 작품들은 우리 은하를 벗어나지 않는 편이다.
사실 SF에서 과학 기술이 얼마나 정확하게 다루어지는지는 '작품에서 가장 중요한 요소'는 아니다. 하지만 등장하는 과학기술이 충분한 고증을 가질 수록, SF 팬들이 불타오르게 되는 것도 사실이다. 언젠가 현재는 불가능하지만, 결국은 닿을 수 있어 보이는 그런 미래가 그려지니까 말이다. 아니면 광속 여행을 하는 대가로 시간을 잃어버리는 것처럼 기술에 대한 대가를 주인공이 치르는 스토리도 불타오르지 아니한가.
아무튼, 인류가 언젠가는 초광속 여행을 할 수 있을까? 그러기를 바란다. 그렇지 않고는 우리가 꿈꾸는 우주 여행이란 아무리 시간이 흘러도 절대로 실현되지 못할 테니까. 초광속 여행이 불가능한 상태로는 인류는 계속 혼자일 것이다. 외계인이 저 멀리에 있든 말든 상관없이.
부록. 행성계 vs 항성계
행성계(Planetary system)를 항성계(Star system)라고 잘못 부르는 경우가 많은데, 항성계는 여러 개의 별(star)이 그룹화된 계(system)을 말한다. 태양계(Solar system) 같은 항성을 중심으로 한 행성의 묶음은 행성계이다. |
