오류처럼 보였는데 계산에서 사라지지 않았다

일반 상대성 이론 방정식을 따라가던 물리학자들은 블랙홀 주변 계산 안에서 쉽게 사라지지 않는 낯선 연결 방향 하나와 계속 마주하게 된다. 서로 멀리 떨어진 공간이 하나의 통로처럼 이어지는 형태가 반복해서 나타났고, 당시에는 물리적 의미가 없는 계산처럼 취급되기도 했지만, 이후 “웜홀”이라는 이름으로 연구 대상에 포함되기 시작했다. 얼핏 보면 우주 이동 상상처럼 느껴졌는데, 계산을 따라가다 보면 시공간 자체가 어떤 형태를 가질 수 있는지를 묻는 문제에 더 가까워지고 있었다. 단순한 연결 계산으로 시작된 문제는 이후 블랙홀과 양자 얽힘 연구 영역까지 확장되고 있었다. 특히 최근에는 중력파 관측과 블랙홀 이미지 분석 기술이 발전하면서 시공간 곡률을 실제 관측 자료와 연결하려는 시도 역시 계속 이어지고 있다. 아직까지 웜홀이 실제 우주에서 발견된 적은 없지만, 관련 계산 흐름은 지금도 여러 이론 물리학 연구 안에서 꾸준히 분석되고 있다. 최근 시공간 시뮬레이션 자료에서는 단순한 계산 도식으로 여겨졌던 연결 구조가 실제 우주 구조 가능성 검토 대상으로 계속 등장하고 있다. 칠판 위 복잡하게 이어진 시공간 곡선 사이에 남아 있는 작은 연결 표시는 왜 이 계산이 지금까지도 반복 검토 대상이 되고 있는지를 보여 주고 있었다. 

 

방정식 안에서는 예상보다 낯선 연결 흐름이 계속 남아 있었다

일반 상대성 이론 방정식을 따라가던 물리학자들은 블랙홀 주변 계산 안에서 쉽게 사라지지 않는 낯선 연결 방향 하나를 반복해서 확인하게 된다. 1935년 Albert Einstein과 Nathan Rosen이 발표한 연구를 따라가다 보면 비슷한 연결 흐름이 이미 검토되고 있었다. 당시 연구자들은 블랙홀 해를 분석하면서 시공간 곡률을 계산하고 있었다. 그런데 계산을 확대해 따라가다 보니 서로 다른 두 공간이 마치 하나의 통로처럼 이어지는 방향이 반복해서 나타났다. 당시 연구자들조차 물리적 의미를 부여하기 어려워했다. 하지만 조건을 다시 적용해도 비슷한 흐름이 계속 남아 있었다. 문제는 배열 자체가 지나치게 낯설었다는 점이었다. 당시까지 공간은 넓게 펼쳐진 배경처럼 이해되는 경우가 많았는데, 방정식 안에서는 공간이 접히듯 이어지는 곡률 흐름이 계속 확인되고 있었기 때문이다. 일반 상대성 이론 그래픽에는 서로 떨어진 영역이 하나의 터널처럼 이어진 구조가 반복해서 등장한다. 단순한 계산 도식처럼 보였는데, 같은 흐름이 여러 이론 자료 안에서 반복되는 모습을 보다 보면 왜 당시 연구자들이 이 방향을 쉽게 지워 버리지 못했는지도 조금씩 연결되기 시작한다.

통로처럼 보였지만 흐름은 오래 유지되지 못하고 있었다

아인슈타인-로젠 브리지가 알려진 이후 물리학자들은 이 연결 방향이 실제 이동 통로로 사용될 수 있는지를 다시 계산하기 시작했다. 시공간 안에 통로처럼 이어진 배열이 존재한다면 먼 우주 영역 역시 짧은 거리로 연결될 가능성이 있었기 때문이다. 하지만 계산을 다시 확대해 보자 또 다른 문제가 나타났다. 연결 구조는 존재할 수 있었지만 그 상태가 매우 짧은 시간 안에 무너지는 방향으로 이어졌던 것이다. 통로처럼 보였던 곡률 구조가 실제로는 안정 상태를 유지하지 못한다는 결과가 반복해서 확인되었다. 문제는 여기서 끝나지 않았다. 흐름을 다시 분석할수록 웜홀의 핵심은 연결 자체보다 그 통로를 얼마나 오래 유지할 수 있는가에 가까워지고 있었다. 입구가 닫히지 않도록 유지하려면 기존 물질과는 다른 조건이 필요하다는 계산도 나타나기 시작했다. 같은 웜홀 곡률 그림을 몇 번 다시 확대해 보다 보니 연결 방향보다 붕괴가 시작되는 지점이 더 눈에 들어오기 시작했다. 계산을 수정해도 안정 상태가 오래 유지되지 않는 결과가 반복해서 나타났기 때문이다. 단순한 통로 발견이라기보다 배열을 얼마나 안정적으로 유지할 수 있는지가 더 중요한 문제처럼 남아 있었다. 

웜홀을 유지하기 위한 조건은 점점 더 복잡하게 확대되고 있었다

1980년대 이후 웜홀 연구는 다시 활발하게 이어졌다. 특히 1988년 미국의 이론 물리학자 키프 손(Kip Thorne)과 동료 연구자들은 사람이 통과할 수 있는 웜홀 구조를 수학적으로 검토하기 시작했다. 계산을 다시 따라가다 보니 문제는 연결 자체보다 그 흐름을 얼마나 오래 유지할 수 있는가에 가까워지고 있었다. 이 과정에서 확인된 개념이 바로 음의 에너지와 “특이한 물질(exotic matter)”이었다. 계산을 수정해도 문제는 쉽게 사라지지 않았다. 웜홀 입구가 무너지지 않는 조건을 찾으려는 시도가 이어졌고, 그 과정에서 기존 물질만으로는 설명하기 어려운 계산 결과들이 계속 남아 있었다. 연결 자체보다 유지가 더 어려웠다. 연구 범위는 점차 양자 물리학 영역까지 넓어지고 있었다. 일부 계산 결과가 진공 상태 연구와 연결되기 시작했기 때문이다. 일부 연구자들은 이런 양자 진공 효과가 웜홀 안정 상태 조건과 연결될 가능성을 검토하기 시작했다. 근래 이론 물리학 강연에서는 시공간 곡률 그래프와 블랙홀 계산식이 하나의 문제처럼 함께 다뤄지는 경우가 많아졌다. 양자장 이론 강연에서는 작은 진공 요동 그래프와 시공간 곡률 그림이 함께 다뤄지는 경우도 적지 않았다. 초기에는 서로 다른 연구 분야로 다뤄졌지만 계산 범위가 확장되면서 웜홀과 양자 효과를 함께 분석하는 연구도 점차 늘어났다. 

작은 계산 흐름은 점점 우주 전체 연구로 이어지고 있었다

웜홀 연구는 시간이 지나면서 단순한 이동 통로 개념을 넘어 블랙홀과 양자 얽힘 연구까지 연결되기 시작했다. 특히 최근 이론 물리학에서는 “ER=EPR”이라는 가설이 자주 언급된다. 연구자들이 주목한 이유는 서로 무관해 보였던 두 문제가 같은 계산 구조 안에서 다시 등장하기 시작했기 때문이었다. 시작은 블랙홀 해를 계산하는 과정에서 확인된 작은 연결 방향이었지만, 연구 범위가 확대되면서 시공간 자체를 다시 해석하는 단계로 들어가고 있는 셈이다. 일부 연구에서는 양자 얽힘 상태가 시공간 곡률 흐름과 연결될 가능성을 다시 분석하기도 한다. 최근 세미나 슬라이드에서는 서로 다른 분야로 여겨졌던 개념들이 하나의 도식 안에서 함께 등장하는 경우도 적지 않았다. 근래의 블랙홀 연구 자료를 보다 보면 사건의 지평선 그래프와 양자 얽힘 그림이 한 장 안에 함께 나타나는 경우도 많아지고 있다. 예전에는 각각 독립된 연구처럼 보였는데, 이제는 시공간 자체를 하나의 연결된 문제로 다루려는 분위기가 점점 강해졌다. 지금도 여러 연구기관에서는 이런 계산을 검토 대상으로 유지하고 있다. Physical Review D, Classical and Quantum Gravity, Nature Physics 같은 학술지에서도 시공간 곡률과 양자 중력 연구가 반복해서 발표되고 있다. 현재 공개되고 있는 이론 물리학 세미나에서도 이런 계산 구조가 자주 다뤄지고 있었다.

관측은 없지만 연구 흐름은 실제 우주 관측 기술과 이어지고 있었다

현재까지 웜홀이 실제 우주에서 발견됐다는 직접적인 증거는 존재하지 않는다. 하지만 웜홀 연구는 여전히 현대 물리학 안에서 중요한 분석 대상으로 남아 있다. 연구 과정을 따라가면 결국 같은 질문이 반복해서 등장하고 있었다. 시공간 곡률 흐름을 어떻게 설명할 것인가라는 문제는 블랙홀 연구와 중력파 연구, 우주망원경 관측 기술까지 자연스럽게 이어지고 있었다. 최근에는 LIGO Scientific Collaboration의 중력파 관측과 Event Horizon Telescope의 블랙홀 관측 결과가 축적되면서 시공간 곡률을 이전보다 훨씬 정밀하게 분석할 수 있는 환경도 마련되고 있다. 직접 웜홀을 발견하지는 못했지만, 시공간 흐름을 실제 관측 자료와 연결하려는 연구 범위도 이전보다 넓어졌다. 관련 다큐멘터리나 과학 강연에서도 웜홀은 공상 개념이 아니라 블랙홀 관측 기술과 연결된 연구 주제로 함께 소개되는 경우가 늘고 있다. 제임스 웹 우주망원경이나 사건의 지평선 망원경(EHT) 자료를 보다 보면 시공간 곡률이라는 표현 자체가 예전보다 훨씬 현실적인 연구 언어처럼 받아들여지는 경우가 많았다. 여러 곡률선 사이를 따라가다 보면 이상하게도 연결선 하나가 유난히 강조되는 경우도 있었다. 결국 웜홀 연구는 단순한 우주 이동 상상을 넘어 시공간 자체가 어떤 배열을 가질 수 있는지를 다시 분석하는 방향으로 이어지고 있다. 아직 직접 확인된 흐름은 아니지만, 일반 상대성 이론에서 나타났던 낯선 연결 방향은 지금도 블랙홀 연구와 중력파 분석, 양자 중력 연구 속에서 계속 다시 검토되고 있다. 복잡하게 이어진 곡률선 사이를 따라가다 보면, 처음에는 오류처럼 보였던 계산이 왜 지금까지도 사라지지 않고 반복해서 검토되는지도 조금씩 이해되기 시작했다.