[과학 지식] 인간의 상상력이 만들어낸 광속 보다 빠른 물질

상상의 물질 타키온

 인간의 상상으로 만들어낸 타키온이라는 물질이 있습니다.

 일반적으로 우주에는 빛보다 빠른 것은 존재하지 않는다고 알고 있습니다. 그 이유는 아인슈타인의 이론인 상대성 이론에 있습니다. 빛의 속도에 가까워질수록 질량이 증가하고, 그 증가한 질량을 가속하기 위해 또 에너지가 필요하고, 그렇게 하면 다시 무거워지고 그러면 또 질량이 증가하고 그러면...... 이런 이유로 질량이 있는 물체는 광속을 넘을 수 없다는 게 상대성 이론의 결론입니다.

 그럼, 본론으로 돌아가서 오늘의 주제는 빛보다 빠른 물질 타키온에 대한 것입니다. 위에서 빛보다 빠른 물질은 없다고 하지 않았느냐는 의문이 생길 수 있을 것입니다. 분명 질량이 있는 물체는 광속을 넘을 수 없습니다. 그렇다면 타키온은 질량이 없다고 생각할 수 있는데 그렇지 않습니다. 왜냐하면 질량이 없으면 표준 모형에서는 힉스 입자가 없다는 의미이고, 이렇게 될 경우 그 물체는 광속을 지니게 됩니다. 사실상 전자기파가 되는 것입니다.

 그런데 SF 소설을 좋아하거나 SF 게임 같은 것을 하다 보면 항상 타키온에 대한 이야기가 나옵니다. 그러면 타키온은 소설이나 영화에서만 나오는 허구일까? 맞습니다. 타키온은 가상의 입자이고, 현실에서는 존재하지 않습니다. 사실 타키온이 가상의 입자는 맞지만, 이 타키온이라는 가상의 입자가 생겨난 배경이 재미있습니다. 이러한 타키온이라는 입자가 나온 것은 전적으로 아인슈타인 때문입니다.

SF 장르에 나타난 초광속

 고전역학이 발달한 이후부터 SF 장르의 소설은 항상 큰 인기였습니다. 이미 하늘 높이 우주로 가고 싶어 하는 인간의 탐험 욕구와 호기심은 로켓이 만들어지기 훨씬 전부터 엄청났습니다.

 눈, 코, 입을 가진 달에 대포가 박혀있는 흑백 사진을 한 번쯤 보신 적 있을 것입니다. 그 사진은 지금으로부터 120년 전에 만들어진 최초의 SF 영화의 표지입니다. 조지 멜리스의 달 세계 여행이라는 영화입니다. 이 영화 작가는 무려 엄청나게 강력한 대포를 이용해서 달에 간다는, 지금 생각해 보면 허무맹랑한 소재로 이 영화를 만들었습니다. 재미있는 것은 이 시기에는 세계 1차 대전이 일어나기도 훨씬 전입니다. 로켓이 개발되기 한참 이전이었는데 이런 상상을 인간은 이미 하고 있었다는 것입니다. 이 영화보다 더 이전부터 이런 식으로 우주로 가는 인간의 상상은 수많은 SF 소설을 만들어 왔습니다. 그러다 보니 일부 진취적인 SF 소설에서는 아예 태양계를 넘어 우주의 다른 별이나 다른 은하에 가서 외계인을 만나는 부류의 SF 소설들이 생겨나기 시작합니다.

 그런데 천문학자들이 하늘의 별들을 관측한 결과, 가장 가까운 우리 은하에 있는 별이 4.3광년 거리에 있었고, 심지어 수천 광년 떨어진 별도 태양계와 매우 가까운 편이라는 것을 알게 되었습니다. 따라서 SF 소설에서는 이 문제를 해결하기 위해 인류가 빛보다 훨씬 빠르게 이동하는 우주선, 초음속도 아닌 초광속을 내는 우주선을 개발했다는 설정을 전제로 해야 이런 재미있는 이야기가 가능했습니다.

 그런데 이 와중에 아인슈타인의 이론이 초광속을 불가능하게 만들어버립니다. 상대성 이론으로 우주에 있는 모든 물체는 빛보다 빠를 수 없다는 걸 강하게 증명해 버린 것입니다. 심지어 이 상대성 이론은 다른 과학자들이 깨려고 해도 너무 이론적으로 완벽해서 깨지지도 않았습니다. 그래서 이때부터 빛보다 빠르게 여행하기 위해서는 시공간을 휘거나, 웜홀을 찾으면 된다는 재밌는 아이디어들이 나오기 시작했습니다. 이러한 것들을 보면 정말로 인간의 상상력이 대단하다고 느껴지는 부분입니다.

광속보다 빠름의 수학적 증명

 그런데 독일의 물리학자 '조머펠트'는 상대성 이론의 공식으로부터 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 게 가능하다고 수학적으로 증명을 합니다. 그의 주장은 만약 정지 질량이 제곱해서 음수가 나오는 수가 된다면 수학적으로 빛보다 빠른 물질이 가능하다는 것입니다.

 그런데 우리가 알고 있는 모든 수는 제곱하면 당연히 양수가 될 수밖에 없습니다. '조머펠트'의 주장은 질량이 만약에 허수로 되어 있으면 그 물체는 빛보다 항상 빠를 수밖에 없다는 것이었습니다. 사실 이때까지는 그냥 많고 많은 수학적인 장난 정도로 받아들였습니다. 하지만 이제 더 재미난 얘기가 나오게 됩니다. 초끈 이론이나 양자역학으로 내려가면 이 이론들이 타키온의 존재를 수학적으로 허용한다는 것입니다.

 여러 가지 어려운 내용들을 다 빼고 설명하자면 우리가 알고 있는 우주가 불안정하다면 이론적으로 타키온의 존재가 가능하다는 것입니다. 만약 우리 우주를 불안정하게 만들거나, 불안정한 다중 우주가 있다면 타키온의 존재는 항상 허용된다는 것입니다. SF 소설 'Old Man's War'에는 이러한 원리를 이용해 우주라는 시스템을 속여 우주선을 공간 도약하여 다른 별로 이동한다는 재미난 아이디어까지 나옵니다. 이 소설이 재미있는 것은 우주라는 시스템의 버그를 이용하여 양자 도약을 한다면, 이론적으로 타키온이라는 입자가 도약한 위치에 나온다는 재미있는 설명을 하는 등 작가가 상대성 이론과 양자 역학을 깊게 이해하는 게 느껴지는 점입니다.

 결론을 말하자면 우리가 아는 한 현실에 타키온이라는 물질은 존재하지 않습니다. 하지만 수학 공식 안에서 타키온이라는 입자는 존재한다는 것입니다. 이것이 정말 재미있는 상상이고, 발견될 것 같지도 않지만 이러한 것을 생각해 내는 인간의 상상력이라는 것은 정말 대단한 것 같습니다.