연결선 하나가 자꾸 눈에 남았다

일반 상대성 이론 방정식을 따라가던 물리학자들은 블랙홀 주변 계산 안에서 쉽게 사라지지 않는 낯선 연결 방향 하나를 반복해서 확인하게 된다. 서로 멀리 떨어진 공간이 하나의 통로처럼 이어지는 형태가 반복해서 나타났고, 처음에는 단순한 수학적 오류처럼 보였던 이 계산은 이후 “웜홀”이라는 이름으로 다시 연구 대상이 되기 시작했다. 처음에는 우주 이동 상상처럼 느껴졌는데, 계산을 따라가다 보면 시공간 자체가 어떤 형태를 가질 수 있는지를 묻는 문제에 더 가까워지고 있었다. 아인슈타인-로젠 브리지 계산에서 시작된 연구는 시간이 지나면서 블랙홀 곡률 분석, 음의 에너지 조건, 양자 진공 효과, 양자 얽힘 연구까지 연결되며 점점 더 넓은 범위로 확대되고 있다. 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 반복해서 다시 분석되고 있다. 최근 시공간 시뮬레이션 자료 속 연결 곡선을 천천히 따라가다 보면, 처음에는 단순한 계산 도식처럼 보였던 흐름이 어느 순간 실제 우주 구조 가능성처럼 오래 남아 있는 장면도 이전보다 더 자주 눈에 들어오기 시작한다. 칠판 위 복잡하게 이어진 시공간 곡선 사이에 작은 연결 표시가 남아 있는 장면을 보고 있으면, 오류처럼 보였던 계산이 왜 지금까지도 반복해서 다시 분석되고 있는지도 조금씩 연결되는 느낌으로 남았다. 

 

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. 웜홀 개념이 학문적으로 처음 알려진 것은 1935년이었다. 아인슈타인과 물리학자 네이선 로젠은 일반 상대성 이론 방정식을 다시 분석하던 과정에서 서로 떨어진 두 시공간 영역이 연결될 수 있는 흐름을 발견했다. 이후 이 개념은 “아인슈타인-로젠 브리지(Einstein–Rosen bridge)”라는 이름으로 알려지게 되었다. 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. 처음에는 물리적으로 의미 없는 수학 배열처럼 보이기도 했다. 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 그래픽 자료를 보다 보면 시공간 곡률 그림 속에 서로 떨어진 영역이 하나의 터널처럼 이어지는 장면도 자주 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 흐름은 존재할 수 있었지만 그 상태가 매우 짧은 시간 안에 무너지는 방향으로 이어졌던 것이다. 통로처럼 보였던 곡률 흐름이 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 어디까지가 연결 방향이고 어디부터 붕괴가 시작되는지 잠시 헷갈리는 순간도 남아 있었다. 확대 화면을 다시 줄였다가 비교해 봐도 연결처럼 보이던 부분이 어느 순간 끊겨 보이는 경우가 있어 한참 화면을 들여다보게 되기도 했다. 캡처해 둔 이전 화면을 옆에 띄워 놓고 어느 지점에서 모양이 달라지는지 번갈아 확인해 보는 경우도 있었다. 요즘 시공간 시뮬레이션 자료를 천천히 확대해 보다 보면 처음에는 연결 방향이 유지되는 것처럼 보이다가도 곡률이 급격하게 붕괴되는 장면이 이어지는 경우가 많다. 단순한 통로 발견이라기보다 배열을 얼마나 안정적으로 유지할 수 있는지가 더 중요한 문제처럼 남아 있는 셈이다.

웜홀을 유지하기 위한 조건은 점점 더 복잡하게 확대되고 있었다

1980년대 이후 웜홀 연구는 다시 활발하게 이어졌다. 특히 미국의 이론 물리학자 키프 손(Kip Thorne)과 동료 연구자들은 사람이 통과할 수 있는 배열의 웜홀을 수학적으로 다시 분석하기 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. 일반적인 물질은 시공간을 안쪽으로 끌어당기는 방향으로 작용한다. 하지만 일부 계산에서는 음의 에너지가 존재할 경우 웜홀 입구가 무너지지 않도록 바깥 방향으로 밀어내는 효과가 나타날 수 있다는 결과가 제시되었다. 연결 자체보다 유지가 더 어려웠다. 양자 물리학에서는 진공 상태에서도 아주 작은 규모의 에너지 요동이 나타날 수 있다는 연구들이 이어지고 있었다. 일부 연구자들은 이런 양자 진공 효과가 웜홀 안정 상태 조건과 연결될 가능성을 다시 검토하기 시작했다. 근래 이론 물리학 강연 자료를 보다 보면 시공간 곡률 그래프와 블랙홀 계산식이 한 장 안에 빽빽하게 이어지는 장면도 자주 등장했다. 양자장 이론 강연 자료를 보다 보면 작은 진공 요동 그래프가 시공간 곡률 그림과 함께 이어지는 장면도 자주 나타난다. 처음 봤을 때는 서로 다른 연구 분야인 줄 알았는데, 계산 범위를 넓혀 갈수록 웜홀 흐름과 양자 효과가 같은 방향 안에서 다시 분석되는 경우가 점점 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. 이는 웜홀 흐름(Einstein-Rosen bridge)과 양자 얽힘(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)이 서로 연결될 가능성을 제시하는 접근 방식이다. 시작은 블랙홀 해를 계산하는 과정에서 확인된 작은 연결 방향이었지만, 연구 범위가 확대되면서 시공간 자체를 다시 해석하려는 방향으로 이어지고 있는 셈이다. 일부 연구에서는 양자 얽힘 상태가 시공간 곡률 흐름과 연결될 가능성을 다시 분석하기도 한다. 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, 최근에는 시공간 자체를 하나의 연결된 문제로 다루려는 분위기가 점점 강해졌다. 지금도 여러 연구기관에서는 이런 계산을 다시 검토하는 연구가 이어지고 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 세미나 자료에서도 이런 계산 흐름이 반복해서 다시 등장하고 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. 이유는 단순하다. 시공간 곡률 흐름을 어떻게 설명할 것인가라는 문제 자체가 블랙홀 연구와 중력파 연구, 우주망원경 관측 기술과 자연스럽게 연결되고 있기 때문이다. 최근 중력파 관측과 블랙홀 이미지 분석 기술이 발전하면서 시공간 곡률을 이전보다 훨씬 정밀하게 확인할 수 있는 환경도 만들어지고 있다. 직접 웜홀을 발견하지는 못했지만, 시공간 흐름을 실제 관측 자료와 연결하려는 연구 범위도 이전보다 넓어졌다. 관련 다큐멘터리나 과학 강연을 보다 보면 처음에는 공상 개념처럼 느껴졌던 웜홀 흐름이 어느 순간 블랙홀 관측 기술과 같은 방향 안에서 설명되는 경우도 자주 나타난다. 최근에는 제임스 웹 우주망원경이나 사건의 지평선 망원경(EHT) 자료를 보다 보면 시공간 곡률이라는 표현 자체가 예전보다 훨씬 현실적인 연구 언어처럼 받아들여지는 경우가 많았다. 새로 공개된 블랙홀 시뮬레이션 자료가 올라오면 예전에 저장해 둔 웜홀 곡률 그림과 다시 나란히 놓고 비교해 보는 날도 조금씩 늘어나고 있었다. 여러 곡률선 사이를 따라가다 보면 이상하게도 연결선 하나가 계속 눈에 남는 경우가 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 사이에 남아 있는 작은 연결 표시를 계속 따라가다 보면, 처음에는 오류처럼 보였던 계산이 왜 지금까지도 완전히 사라지지 않고 다시 분석되고 있는지도 조금씩 이어지는 방향으로 남고 있었다.