빛 보다 빠른 워프 항법 추진체 개발

[칠성별]

빛 보다 빠른 워프 항법 추진체 개발

■ 2015.05.01일 미국 나사(NASA) 플라이트(flight) 닷컴(.com) 포럼에 참여한 나사(NASA) 연구원들은 이른바 워프(warp) 항법 엔진 테스트에 성공했다고 했다. 또 이 엔진이 인간을 4시간 만에 달(Moon)까지 갈 수 있게 해 줄 것이라고 덧붙였다. 워프(warp) 드라이브 엔진 제작에 참여중이라는 이 나사 엔지니어는 “나사가 우주 환경(진공)에서 작동하는 이른 바 EM 드라이브 테스트에 성공했다”고 밝혔다. 워프(warp) 항법 엔진은 로켓 연료를 사용하지 않고 전자기장 에너지를 추진력으로 전환시켜 주는 EM 드라이브(Electro Magnetic Drive) 기술을 사용한다.

이 엔진의 컨셉은 우주선에 달린 폐쇄된 컨테이너에 마이크로파를 튀겨줌으로써 추진력을 제공한다는 것이다. 또한 태양 에너지를 통해 마이크로파를 발생시킬 전기를 얻게 된다. 이는 더 이상 가스 같은 로켓 추진체(추진 연료)가 필요하지 않게 됐다는 의미이다. 기존의 물리학은 양자 진공(Quantum vacuum) 속의 입자는 이온화될 수 없다고 말한다. 따라서 이를 반동시켜 추진력을 가질 수 없다.

하지만, 미국 나사(NASA) 엔지니어들은 나사가 최근 테스트에서 이를 실현했다고 주장했다. 이들 엔지니어는 “나사는 자신들의 EM 드라이브(Electro Magnetic Drive)를 고진공에서 테스트하는데 성공했다. 이는 어떤 조직도 해 내지 못한 성과이다”라고 했다. 빛 보다 빠른 워프(warp) 드라이브는 공간을 일그러뜨려 4차원으로 두 점 사이의 거리를 단축시킨 뒤, 빛 보다 빨리 목적지에 도착하는 방법이며 광속 보다 10배 빠른 속도의 우주선 엔진을 사용한다.

지난 수십년 간 미국. 영국. 중국의 과학자들은 EM 드라이브(Electro Magnetic Drive)를 시연해 왔지만, 아무도 이 엔진이 정확히 어떻게 움직이는지 알지 못했기에 논란만 불러 일으켰다. 영국 런던에 EM 드라이브(Electro Magnetic Drive) 연구소를 두고 있는 로저 소여 역시 2000년 이 컨셉에 도달했다. 그를 심각하게 만든 유일한 연구팀은 중국의 과학자 그룹이었다. 

중국 팀은 2009년 이미 720그램의 추진체를 만든 것으로 알려졌다. 이는 위성을 추진시킬 추진기를 만드는데 충분한 추진력이었다. 하지만, 여전히 아무도 그들이 이 추진체를 만들었다고 믿지는 않았다. 나사(NASA) 스페이스 플라이트 닷컴 회원으로서 이 프로젝트에 참여 중인 미국 나사(NASA) 엔지니어들은 "이전의 EM 드라이브 모델이 비난받은 이유는 어떤 테스트도 진공 속에서 이뤄지지 않았기 때문"이라고 말했다.

1. 초광속 추진체 기술

1.1 초광속 기술의 한 종류

공간을 왜곡시켜 짧은 시간안에 먼 거리를 이동하는 기술로 묘사된다. 시공간을 왜곡하거나 웜홀을 이용하여 현실세계 기준으로 초광속 이동을 하는 것을 말한다.

 

아인슈타인의 상대성 이론이 "모든 물체는 빛보다 빨리 이동할[1] 수 없다"는 것을 증명함으로서, 인류가 별나라로 여행을 갈 가능성은 실질적으로 차단되고 말았다. 빛보다 빨리 날아갈 수 없다면 수백억 광년이 넘는 먼 거리의 별로 갈 방법은 사실상 존재하지 않기 때문이다.

그래서 사람들은 어떻게든 이 장애물을 뛰어넘으려고 했고, 그 과정에서 '우리가 빨리 갈 수 없다면 거리를 줄이면 되지!'하고 생각하며 생겨난 게 워프이다. 상식적으로는 꽤나 뜬금없는 얘기지만, 초광속 여행이 가능하면 좋겠다고 생각하는 사람은 매우 많았기에 SF에 많이 등장하는 기술이 되었다. 그러나…

1.2 워프(Warp)는 실존한다? 

현대물리학에 따르면 이론상으로는 가능한 기술이다. 실제로 블랙홀 등지에서 비슷한 현상이 일어나기는 한다. 그러나 현대과학의 힘을 빌려, 워프 혹은 유사현상을 일으키는 것은 거의 불가능하다.

NASA로 대표되는 고위연구기관에서 후술할 알큐비에레 드라이브(Alcubierre drive)라는 이론에 근거하여 워프 드라이브의 실현 가능성에 대한 이론연구가 진행되고 있는 상황. 나사는 2009년 발족한 첨단추진연구기술팀을 통해 워프는 물리학적인 법칙을 벗어난 것이 아니다[2]라는 말을 강조하고 있다. 그런데 공간왜곡 부터가 문제라서 언제 실물기술로 올런지는 며느리도 모른다. 

1.3 워프(warp) 현장 실험에 사용되는 이론 

 

헤르만 민코스키스가 개척한 세계선개념을 통해 코스모로지컬 인플레이션을 기반으로 할시 워프를 다음수식에 기반해 좌표설정이 가능해 이론상 워프가 성립한다.

일반 상대성 이론에 근거한 커브(세계선)  이 됨으로 X를 워프를 할 대상의 좌표가 된다는 것이다.

단, 이 경우 세계선의 시공개체 이력에 대한 구체적 정의가 부족하고 시간곡선의 구조로 공간적 위치를 뽑아내는 것이라 공간을 3차원(구(공)의 개념), 시간을 4차원(나선의 개념)으로 잡아야만 성립된다.[3] 즉, 현재 성립된 이론에 사용된 것은 세계면적인 관점으로 접근하는 것이며 세계선 개념의 접근은 어디까지나 세계면이론상 거론된 타임맵을 통해 세계선내 벡터와 4가지 좌표를 통한 정의가 되는 것이며 특정시점에서 평면으로 돌아가는 골때리는 상황이 일어날수도 있다.

1.4 알큐비에레 드라이브 (Alcubierre drive)

현재까지 알려진 물리 법칙을 만족하는[4] 워프 이론 중 가장 현실성이 있는 것은 알큐비에레 드라이브(Alcubierre drive)로, 물체가 움직이는 방향으로 앞쪽 공간을 접고 뒤쪽 공간을 늘려서 이동하는 식. 접힌 공간(warp bubble)의 크기를 조절하면 물체가 차지하는 공간 내부에서는 마치 자유 낙하를 하는 것처럼 아무런 힘을 받지 않고 가속해 움직인다는다는 것이 특이 사항이다.

좀 더 정확히 말하자면 이동하고자 하는 물체(예: 우주선)가 향하는 방향의 앞쪽 공간을 압축하고, 뒤쪽 공간을 팽창시켜서, 공간 자체를 초광속으로 이동시킨다는 개념이다. 공간(워프버블) 자체가 이동하기 때문에, 버블 안에서 보면 우주선은 제자리에 가만히 있는 상태로 있다.

예를들어 2차원의 해수면을 공간이라고 하고, 배를 우주선이라고 하자. 배를 둘러싸는 원형의 필드를 가정하고, 그 필드에서 배가 나아가고자 하는 방향 앞쪽의 수면을 낮추고, 뒤쪽의 수면을 높힌다면, 바닷물은 높아진 뒷쪽에서 낮아진 앞쪽으로 흘러가면서 원형의 필드(워프 버블)을 앞으로 밀게 될 것이다. 수면의 높낮이(공간의 압축/팽창 정도)를 크게 한다면 배가 해수면에서 상식적으로 낼 수 있는 최고속도(광속)를 초월한 이동이 가능하다. 그러나 배가 원형의 필드(워프버블)내에서 수면(워프버블 내 공간)에 대한 상대속도는 0이기 때문에, 무게가 있는 물질은 광속에 닿거나 넘을 수 없다는 상대성이론을 위배하지 않는다.

1) 원리 

출처: http://www.popsci.com/technology/article/2013-03/faster-light-drive

그림에 나와 있는 숫자에 대하여 설명을 하자면 다음과 같다.

1) 도표에서 수직축은 알큐비에레 모델 상에서 시공간이 얼마나 팽창 혹은 수축했는지를 나타낸다. 양의 값(시공간의 팽창)은 그림에서 붉은색으로 나타난다. 시공간이 우주선 뒤에서 팽창하는 경우, 결과적으로 그 팽창된 공간 자체가 우주선을 앞으로 밀어내는 역할을 하게 된다. [5]

2) 워프 버블(접힌 공간) 안에 있는 통상적 공간(neutral space-time)이 우주선을 워프에 각각 앞의 수축공간과 뒤의 팽창공간과의 거리를 벌려서 우주선을 보호하는 역할을 한다. 이 덕분에 우주선 탑승자들은 실제로는 중력가속도(또는 관성)의 영향을 전혀 받지 않는 상태(zero-G environment)에 있게 된다. [6]

3) 음의 값(푸른색)은 시공간의 수축을 나타낸다. 이 수축은 붉은 색으로 표현되는 시공간 팽창과 균형을 이루어 결과적으로 우주선이 들어있는 워프 버블을 앞으로 끌어당기는 역할을 하게 된다.[7]

2) 단점 

하지만 아직은 시공간을 접는데 천문학적인 에너지가 들어가고, 동력 문제를 해결하더라도 접힌 공간 안에서 속도가 광속 이상으로 빨라지면 호킹 복사(Hawking Radiation, 블랙홀의 복사 방식)가 일어나 공간 내의 물체가 엄청난 열로 인해 증발한다는 지적이 존재한다.

호킹 복사 외에도 알큐비에르 드라이브의 실현 가능성을 낮추는 연구결과들이 나와있는데, 예를 들어 알큐비에르 드라이브[8]로 시공간을 접어 이동할 경우 접힌 공간을 만들때 투입된 에너지가 워프 종료와 함께 방출되어 투입된 에너지만큼의 천문학적인 대폭발을 일으킬 수도 있다는 연구 결과가 나왔다[9].

거기에다가 공간을 접는데 에너지가 별로 들지 않더라도 워프 중 이동하는 공간의 우주 먼지와 각종 물체들이 접힌 공간 주위에 형성된 네거티브 에너지 밴드와 통로이동 병렬추진의 작용에 반응해 워프의 도착지점에 내뿜어지게 되는데 이것이 감마선 폭발급의 파괴력을 지니게 될 가능성이 있다고 한다. 이게 무엇인지 알고 싶으면 초신성 항목을 참조하자.

3) 물리적인 어려움 

또한 알큐비에르 드라이브에서 요구되는 공간의 팽창을 만들어 내려면 음의 에너지 밀도(negative energy density)가 필요하며, 일부 물리학자들은 이에 대해서 에너지 조건(energy conditions)들을 무시하므로 존재할 수 없다는 비판을 제기한다. 에너지 조건들 중에는 가설의 영역으로 남아있는 것도 있지만 아직까지 음의 에너지 밀도란 것은 목격조차 되지 않았다.

4) 현황 

만약 워프가 실제로 실현된다면 육안으로 보일 상상도

미국의 태양계내와 성간공간 진출에 대한 연구를 수행하고 있는 Eagleworks라는 NASA 내부의 태스크 포스의 해롤드 화이트 박사의 연구 보고서에 의하면, 연구팀은 화이트-주데이 워프장 간섭 측정기라는 장치를 이용해 워프의 기본이 되는 공간 왜곡의 존재를 확인하는 실험을 진행중이라고 한다. 2013년 발표한 연구결과로는 고에너지 레이저를 이용하여 극미세 공간에서 시공간 왜곡을 검출하기는 했으나 이게 외부 간섭이나 측정오차에 의해 발생한 건지 실제로 시공간 왜곡현상이 일어난 건지는 확실치 않다(inconclusive)고 한다. 또한, 박사는 예전의 연구결과들과는 다르게, 워프 드라이브가 설사 실현된다고 하더라도 위에 쓰여있는 것과 같은 부작용은 충분히 피할 수 있다고 주장하고 있다.

그들의 계산에 의하면 워프 버블의 특성을 각 우주선에 맞게 최적화할 수 있다면 예전에 추정되었던 것 보다 훨씬 적은 에너지를 이용하여 반경 10m의 공간을 광속의 10배 정도의 실질 속도를 달성할 수 있을 것이라고 주장하고 있다. 다만, 이를 위해서는 이종물질(Exotic matter)[10] 500kg가 필요하다고 한다. 물론 이전에는 이종물질이 목성 질량만큼 필요하다고 예측했던거에 비하면 훨씬 희망적이지만, 애초에 이 이종물질이란게 실제로 존재하기나 하는건지도 아직 모른다는걸 생각하면...[11]

만일 이것이 만약 정말로 실현된다면, 지구에서 4.37광년 떨어진 알파 센타우리계를 2주만에 갈 수 있는 속도이다!!! 스타 트렉 설정대로면 워프 4.5 정도의 속도다.

2013년 6월 26일에 미국의 천체물리학자 에릭 데이비스(Eric Davis)는 워프는 더 이상 공상과학소설이 아니며, 워프 항법은 지구멸망에 대비하기 위해서라도 반드시 개발해야 하는 기술이라고 주장했다.

2014년 6월 13일, NASA 연구팀 Eagleworks의 화이트 박사가 워프 드라이브로 추진하는 우주선의 컨셉을 발표했다.

컨셉아트에서 묘사된 우주선의 주위를 감싼 커다란 원통이 알큐비에레 워프 드라이브라고. 우주선의 이름은 스타 트렉의 USS 엔터프라이즈에서 따온 'IXS 엔터프라이즈'로 붙였다고 한다.

2. 대중 매체에서의 워프(Warp) 

스타 바운드에서는 지적생명체들의 기본기술인 마냥 나온다. 심지어 연료로 석탄을 사용하는위엄을 보이기도한다. 모습은 네비게이터에 좌표를 입력한뒤 원하는행성으로 출발하면 우주선이 서서히 빠르게 비행하다가 제로의 영역에 도달하고, 이후 워프완료(...).

스타 트렉의 워프 드라이브는 워프 필드를 만들어서 공간을 압축/팽창하여 우주선을 초광속으로 추진시키는 기술이다. 워프에 들어갔을 때의 속도는 워프 팩터(Warp Factor)로 나타내는데, 광속으로 나타내면 대략 "워프 팩터^(10/3) 광속"이 된다. TNG 이후 시대 우주선의 표준 순항속도인 워프 8은 대략 광속의 1000배 가량이다. 작중에서는 "워프 X"(워프 1, 워프 5, 워프 9)로 가라고 명령을 내리면 함선이 그 속도로 가속하는 식으로 묘사된다. 특히 "워프 9"(Warp 9)이라고 하면 아주 급박하게 다른 장소로 이동해야 한다는 뜻이 된다.

참, 뭔가 앞에서 비슷한 내용이 등장한 것 같다고? 그렇다. 알큐비에레 드라이브와 구현 방식이 정확하게 똑같다. 알큐비에레가 논문에서 쓴 워프 팩터/워프 필드라는 용어도 스타 트렉에서 따온 것이다. 마크로스의 폴드 항법은 좌표상의 지점 A와 B를 인위적으로 합쳐서 A에서 B로 이동한다는 것으로 묘사된다.

EVE 온라인의 초광속 항해 방식은 워프와 점프(Jump)로 나뉜다. 둘 다 출발지와 목적지 사이에 인공 웜홀을 만들어서 중간의 거리를 뛰어넘는 방식으로 구현 원리는 동일하지만, 워프는 항성계 안에서, 점프는 항성계 사이를 움직이는 장거리 이동을 위해 쓴다. 워프시에는 목적지와 출발지 사이에 행성이 있어도 행성을 실제로 관통하는 것이 아니라 문제는 없다. 

 

• [1] 정확히는 빛보다 빠른 속도로 이동할 수 이다. 이건 중요하다.
• [2] 자연환경에서 유사 현상이 발생함으로 물리법칙내의 범주로 보고있다
• [3] 사실 상대성 이론이 시간을 모두 나선으로 잡아서 큰 문제는 안된다, 다만 파생계로 이동되는 경우가 별도인데 이건 장소이동(워프)이 아닌 시공간 이동(차원이동?)으로 보면 대충은 해결된다.
• [4] (상대성 이론을 포함한)정설로 받아들여지고 있는 물리 법칙들에 위배되지 않는
• [5] 원문 - The vertical dimension represents how much a given volume of space-time expands or contracts in Alcubierre's model. Positive values red imply an expansion. When space-time expands behind a craft, it propels the ship forward. 이하 더 정확한 해석이 있다면 수정바람
• [6] 원문 Inside the warp bubble, neutral space-time would leave the ship undisturbed. Passengers would experience a gravitationally calm zero-G environment.
• [7] 원문 Negative values blue imply a contraction in space-time. The contraction balances the expansion of space-time as the bubble moves forward.
• [8] 또는 알퀘비에르 메트릭스
• [9] http://sydney.edu.au/news/physics/1737.html?newscategoryid=174&newsstoryid=8801
• [10] 질량이 음수이거나 허수인 물질, 혹은 암흑 물질 등을 통틀어 말한다. 질량-에너지 등가에 의해 이종물질은 위에서 말한 음의 에너지 밀도와 같다.
• [11] 어째 국내에는 이종 물질이 아니라 반물질 500kg이 필요하다고 잘못 알려져 있는데, 해외 뉴스가 국내로 흘러 들어오는 과정에서 잘못 전해진 것으로 보인다. 이것 외에도 아직 진행중인 실험을 이미 성공했다고 하거나 실험의 목적 자체를 잘못 설명하는 등 잘못된 정보가 많으니 혼동하지 말자.

[의식]

감사합니다