인류의 진보와 속도(warp speeds) > 행 성

“인류의 진보는 속도와 관련 있다.”
이 말은 1987년부터 1994년까지 방송되었던 2360년대를 배경으로 한 TV 드라마 Star Trek 두 번째 시리즈인 The Next Generation(TNG)의 한 에피소드에 나오는 말입니다. 1996년 개봉된 스타트랙의 여덟 번째 극장판 First Contact에서 보그(Borg) 종족은 시간 여행을 통해 2063년 4월 4일의 지구로 가서 몬태나의 미사일 기지에 공격을 퍼붓는데, 다음날 일어날 인류 최초의 워프 비행을 방해하려고 한 것입니다. 다행히 엔터프라이즈 승무원들의 도움으로 제프램 코크레인(Zefram Cochrane)은 초광속 우주선 “피닉스”를 타고 워프에 성공하고, 마침내 인류는 외계문명과의 첫 만남을 이룹니다.

스타트랙 시리즈 전반에는 직접 접촉할 수 있는 문명의 기준을 워프 개발 성공 여부에 두고 있습니다. 그래서 우주를 탐험하는 모든 이는 워프를 개발하지 못한 문명에 어떤 식으로든 영향을 주어서는 안 된다는 지령에 따라야 합니다. 이 지령에는 문명의 고유성을 보호하려는 선한 의도가 담겨 있습니다. 그러나 그 이면으로는 광속의 장벽을 깨지 못해 항성 간 여행을 할 수 없는 문명은 진정한 우주 문명이 아니라는 문명의 기준을 제시하고 있습니다. 그리고 그 기준이 긍정적이라고 할 수 있으며, 첫머리의 말처럼 문명의 진보는 속도와 관련이 있습니다. 인류의 문명은 지난 수천 년 동안 거리를 정복하면서 발전해 왔고, 진보의 속도는 얼마나 ‘빨리 거리를 단축하는가?’로 결정되었습니다.

인류는 걷는 것에서 시작해 말을 타고 속도를 단축하고 배를 이용해 공간을 극복했으며, 다시 복잡한 기관을 발명함으로써 지구의 모든 곳을 터전으로 삼을 수 있게 되었습니다. 그리고 20세기에 이르러 대기권을 벗어나며 우주 시대로 접어들었습니다. 그러나 반세기가 지난 지금까지도 우리는 단 하나의 물체도 태양계 바깥으로 내보내지 못했으며, 이변이 없는 한 앞으로 백 년이 더 지나도 그럴 것입니다. 우리 태양계의 범위를 정하는 것은 조금 모호하지만, 태양이 근처 별들의 중력장을 압도하는 12만 5천AU(약 2광년) 너머로 가려면 현재 우리가 만들 수 있는 가장 빠른 우주선(초속 30Km)으로도 2만 년이 걸립니다. 그리고 우리 태양에서 가장 가까운 항성계 센타우루스자리 알파(α Centauri)까지는 4만 년이 넘게 걸립니다.



고성능 망원경으로 밤하늘을 보면 별들이 촘촘히 붙어 있는 듯이 보이고, 실제로도 많은 별은 매우 가까운 거리에서 서로 힘으로 얽혀 있습니다. 4천억 개의 항성이 모여 있는 우리 은하의 원반 지름은 대략 10만 광년인데, 거기서 우리 태양과 센타우르스 사이의 4.3광년이란 붙어 있는 것과 마찬가지로 가까운 거리입니다. 그럼에도, 우리는 인류 문명의 전 역사보다도 긴 시간이 지나도 가장 가까운 이웃 항성계에 도달하지 못합니다. 만약 인류가 은하 반대편까지 우리의 메시지를 담은 우주선을 보낼 위대한 계획을 세우고, 에너지가 고갈될 염려가 없는 초속 120km의 아주 빠른 우주선을 발사했다고 가정을 해보겠습니다. 현재 은하 중심에서 태양까지의 거리는 약 26,000광년입니다.

우주선은 모든 우주의 재난을 무사히 넘기고, 은하의 중심을 살짝 피해 마침내 1억 천만 후, 은하 중심에서 26,000광년 떨어진 반대쪽에 도달했습니다. 우주선의 인공지능은 1억 천만년 전에 은하 반대쪽에 번성했던 인류의 원대한 메시지를 가까운 별에 타전합니다. 그러나 그 메시지를 받은 것은 놀랍게도 지구였고 그들은 오래전 인류가 멸망한 후에 새롭게 발현한 문명이었습니다. 그들이 과거 인류의 메시지를 받은 이유는 우리 태양계가 대략 초속 220km로 은하 중심을 기준으로 공전하기 때문이었습니다. 공전 주기가 약 2억 2,600만 년이므로, 1억 천만년 후 우리 태양계는 지금과 반대지점에 가 있습니다. 물론 이 이야기에는 우주선이 별의 소용돌이와 상관없이 절대 좌표를 가지고 나아가야 한다는 등의 오류가 있지만, 그저 충분한 속도가 없는 문명의 허망함에 대한 농담일 뿐입니다.

인류가 충분한 속도를 만들 법칙을 발견하지 못한다면 문명의 확장성은 진부해지다가 결국 우리는 태양계 안에서 우물안 개구리로 생을 마감하고 말 것입니다. 현재 인류가 만들어낸 가장 진보한 이론에 의하면 빛의 속도에 가까우면 가까울수록 질량이 증가하는데, 그 질량 증가치는 처음엔 늘어나는 질량이 거의 없다시피 하다가도 광속에 가까워질수록 질량이 기하급수적으로 늘어나서 광속에 다다르면 질량은 무한대 됩니다. 그래서 무한대의 에너지 공급이 없는 한 무한하게 광속에 가까워질 수 없습니다. 그러나 문명은 계속 진보할 것이고, 그에 따라 속도는 비약적으로 늘어나고, 다시 속도는 진보를 촉진할 것입니다. 그리고 언젠가는 새로운 이론으로 무장하여 광속에 버금가는 속도를 따라잡을지도 모릅니다.

비록 광속을 극복할 수 없다고 치더라도, 런던대학 버벡 컬리지(Birkbeck College)의 천문학자 이언 크로포드(Ian Crawford)의 ‘어쩌면 우주에 우리 은하에는 우리밖에 없을지도 모른다(Maybe we are alone in the galaxy after all)’라는 글에서처럼 인류가 광속의 10%(워프 0.5)로 달릴 수 있는 우주선을 개발하여 쉬지 않고 외부로 나아가며 400년마다 식민지의 규모를 두 배로 늘린다면, 문명의 가장자리 경계는 매년 0.02광년씩 확장되어 500만 년 후에는 우리 은하 전체를 식민지로 만들 수 있습니다. 그의 말대로 500만 년은 인간에게 있어서 엄청나게 긴 시간이지만 은하의 수명에 비하면 0.05%에 지나지 않고, 100억 년이 넘는 천문학적인 시간의 스케일과 비교하면 순간에 지나지 않습니다.

그러나 외계로의 확장을 멈추지 않는 문명이라면 결코 속도의 한계점 확장에도 멈추지 않을 것입니다. 모든 기록과 한계는 깨어지려고 있는 것입니다. 인류가 현재 발견한 한계 속도 역시도 영원히 깨지 못할 벽이 아니라 깰 방법을 이론적으로 완성하지 못한 것입니다. 미구엘 알쿠비에르(Miguel Alcubierre Moya)가 "The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity"라는 논문에서 제시한 알쿠비에르 항법(Alcubierre drive)은 앞쪽에 있는 공간을 수축시키고 뒤쪽 공간을 확장하면서 빠르게 전진하는 원리를 이용해 현재의 물리법칙을 위반하지 않고도 광속보다 빠르게 이동할 수 있게 해줍니다. 다만, 그의 이론을 현실화할 수 있는 기술이 충분하지 못할 뿐입니다.



어쩌면 지금껏 그래 왔듯이 뜻밖의 발견으로 그 기술이 실현되어 2063년 최초의 초광속 비행이 성공할지도 모릅니다. 그러면 다시 인류는 1947년 10월 14일 무수한 좌절을 뚫고 처음으로 음속을 돌파하고서 그랬듯이 곧 새로운 벽을 넘으려는 도전을 이어갈 것입니다



광속도를 넘으려면 우리에겐 우주를 새롭게 관찰하는 눈이 필요하고, 광속도를 넘고 나서 인류는 우주를 더 넓게 바라볼 수 있을 것입니다. 그러나 여전히 새로운 이론에도 한계는 존재합니다. 스타트랙에도 이런 한계를 명확하게 정해 놓고 있습니다. 그래서 인류가 우주에 진출한 지 300년이 지난 2360년대까지 무수한 도전으로 은하계를 탐험했고, 빛의 속도의 1,900배까지 낼 수 있는 함정이 있음에도 인류는 겨우 은하계의 11%에 대한 지도만 작성한 상태입니다.

1995년에서 2001까지 방영된 Star Trek: Voyager 시리즈는 이웃 은하에서 온 지성체 때문에 7만 5천 광년 너머 은하의 반대편(델타 쿼드란트) 끝으로 끌려간 보이저호가 지구로 돌아오기까지의 이야기를 172개 에피소드로 꾸며 놓았습니다. 만약 빛의 속도가 물리적 한계라면 보이저호가 지구로 돌아오기까지는 7만 5천 년이 걸리겠지만, 다행히 보이저호는 최신형 워프 엔진을 장착하고 있었습니다. 그래서 평균 광속의 1,000배(Warp Factor 8)로 비행할 수 있어서 귀환 예정 시간을 70년 정도로 잡고 여행을 시작합니다.



은하를 횡단하는 여러 문명이 있지만 특별한 방법을 사용하지 않는 한 모든 문명은 워프 10에 도달할 수 없습니다. 보이저가 일정을 단축해 지구에 귀환할 수 있었던 것도 보그족의 트랜스워프를 이용했기 때문입니다. 트랜스워프는 웜홀처럼 공간과 공간을 잇는 터널을 통과하여 특정 공간으로 이동하는 것이므로, 일반적인 비행체가 자체의 속도로 거리를 단축하는 것과는 다른 개념입니다. 그래서 알쿠비에르의 공간 수축이나 초공간(hyperspace) 고속도로를 이용하여 직접 공간을 주파하는 워프 드라이브에는 속도의 한계점이 분명하게 존재합니다. 여러 SF에서는 이것은 현단계 문명의 한계라고 설정하고 있습니다. 이는 문명이 진보해 다음 단계에 이르는 과정에서 자연히 극복하게 되는데, 이 단계에서는 우주의 모든 지점을 동시에 점유한다고 합니다. 바로 그 상태를 스타트랙에서는 무한속도 즉, 워프 10으로 보고 있습니다.

TNG 시즌 1의 에피소드 Where No One has Gone Before에는 워프 10에 가까운 상태에 이른 비행의 결과를 보여줍니다. 코진스키의 워프시험 과정에서 동력변동으로 워프장벽을 넘은 엔터프라이즈호는 단 몇 분 만에 안드로메다은하를 지나 290만 광년 떨어진 삼각형자리 은하(M33, NGC 598, Triangulum Galaxy)에 이르고, 다시 몇 분 만에 수백억 광년이 떨어진 우주의 가장자리, 물리적 우주와 생각이 혼재한 우주에 도달합니다. 그러나 그것은 우리보다 훨씬 진화한 다음 단계 지성의 도움 때문이었음이 밝혀집니다. Voyager 시리즈에서는 탐 패리스(Tom Paris)가 새로 발견한 이론을 기초로 개조한 셔틀을 이용해 워프 10의 장벽을 넘어서지만 매우 심각한 부작용으로 더는 워프 10에 도전하지 않습니다.

이야기의 순서가 이상해졌지만 여기서 먼저 워프 항법에 대해 간결하게 알아보겠습니다. warp의 사전적 의미는 ‘휘다, 휘게 하다.’로 SF에서는 시공에 대한 왜곡(歪曲)을 뜻합니다. 그래서 워프 엔진을 갖춘 우주선은 충분한 에너지와 기술을 확보한 경우 공간 왜곡(space warp)뿐만 아니라 시간 왜곡(time warp)도 가능합니다. 워프 드라이브는 이런 왜곡을 이용해 빛보다 빠르게(faster-than-light) 비행할 수 있게 하는 추진 시스템입니다. 워프 엔진의 핵심은 Warp core라 할 수 있는데, 스타트랙 여러 시리즈를 보면 워프 코어를 가동하는 데 사용하는 주 연료는 이중 리튬(Li₂)과 중수소(重水素 ²H)입니다. 기체 상태의 리튬은 질량의 1% 정도가 이중 리튬을 형성하며, 자연적으로는 안정된 원자에는 ⁶Li과 ⁷Li이 있습니다. 보통 ⁶Li는 원자로에서 중수소와의 융합에 필요한 삼중수소의 원료로 쓰이며, ⁷Li는 수소 폭탄에 사용하면 핵융합에서 생기는 빠른 중성자들과 반응하여 방출하는 에너지를 높이는 데 사용합니다. 거기에 다시 반물질을 제어하여 혼합하는데, 아직 반물질의 추출이나 제어는 불가능하므로 워프 드라이브는 상상으로만 가능한 추진 시스템입니다.



어쨌든 워프 추진으로 낼 수 있는 속도는 단계별로 나누는데 단계별 속도는 단순히 배수가 되지 않습니다. 즉 워프 2는 워프 1의 두 배가 아니며, 워프 팩터(Warp Factor)가 커질수록 단계에 따른 속도의 차이가 벌어지게 됩니다. 스타트랙 시리즈마다 설정한 워프 팩터의 결과치가 조금씩 다르지만, TNG를 기준으로 워프 팩터에 따른 비행속도를 계산해보면 아래와 같습니다.

워프 팩터

Warp factor

속도

(*c)

알파 센타우리까지 소모 시간

0.5

0.1

43.64 years

1

1

4.33 years

2

10.08

156.91 days

3

38.94

40.61 days

4

101.59

15.57 days

5

213.75

7.4 days

6

392.5

4.03 days

7

656.14

2.41 days

8

1024

37.07 hours

9

1516.38

25.03 hours

10

∞

0

표에서처럼 워프 1은 광속이며, 워프 2는 광속의 10배, 워프 9는 광속의 1,516배입니다. 그래서 워프 1일 때 태양계의 관념적 최외곽인 카이퍼 대와 오르트 구름(Kuiper Belt and Oort Cloud)을 벗어나는 데는 16시간 반이 걸리고, 워프 9일 때는 약 40초가 걸립니다. 각 워프 팩터에 증가치는 사실 스타트랙 시리즈의 내용을 역추산하여 공식화한 것에 불과합니다.

그런데도 재미있는 것은 워프 10은 현재 우리가 알아낸 물리적 우주의 한계인 광속도처럼 비슷한 성질을 가지고 있습니다. 광속에 가까워질수록 질량이 무한히 늘어나듯 워프 10에 다가갈수록 속도는 무한하게 증가하는데, 당연히 그에 따른 연료의 소모도 무한하게 증가합니다. 또한 워프 추진은 관성이 없는지 워프 9로 비행하다가도 워프코어가 꺼지면 워프 속도에서 벗어나 버립니다. 그래서 워프 추진을 유지하려면 계속해서 에너지를 공급해줘야만 합니다.


워프 9의 속도가 1516광초라면 워프 9.1은 1581, 워프 9.2는 1649, 워프 9.3은 1701, 워프 9.4는 1768, 워프 9.5는 1837, 워프 9.6은 1909, 워프 9.7은 2373, 워프 9.8은 2628, 워프 9.9의 속도는 3053광초입니다. 워프 팩터 0.1의 증가의 결과가 처음에는 완만하지만, 점점 그 극적인 변화를 나타내고 있습니다. 그리고 워프 9·9 이후에는 워프 팩터 0.01을 증가시키기 위한 결과치(속도)는 더욱 큰 변화를 요구합니다. 워프 9.9의 속도가 3053광초라면 워프 9.91은 4125이며, 워프 9.99는 7912광초입니다. 그리고 워프 9.991은 빛보다 무려 21,750배나 빠른 속도를 요구합니다. 다시 워프 팩터가 9.999가 되려면 64,287배가 되어야만 합니다. 그래서 모든 문명은 일정한 단계를 넘어 진화하지 못하는 한 결코 워프 10의 장벽을 넘지 못합니다.

은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서(The Hitchhiker's Guide to the Galaxy)에서는 빛보다 빠른 추진 시스템으로 무한 불가능 확률 추진(Infinite Improbability Drive)을 사용합니다. 이 무한 불가능 확률추진은 항성 간의 거리를 몇 초안에 왔다갔다할 수 있는 것으로, 무한 불가능 확률에 도달하면 거의 동시에 생각할 수 있는 우주에 있는 생각할 수 있는 점들을 지나게 됩니다. 결국, 무한 불가능 확률 추진은 스타트랙이 설정한 한계속도를 넘어 워프 10에 이른 추진 시스템이라 할 수 있습니다. 인류의 무한한 상상력이라면 언젠가 워프 10의 장벽도 깰 것이라 믿습니다.

그러나 우리는 아직 워프 10은 고사하고 빛의 속도로 깨지 못했고, 그 천분의 일의 속도에 이를 기술조차도 없습니다. 그럼에도, 인류는 절망하지 않고, 언제나처럼 눈앞의 나타난 벽을 하나씩 허물며, 느리지만 꾸준히 나아가고 있습니다. 백 년 후, 천 년 후, 만년 후가 될지라도 스스로 포기하지만 않는다면 인류는 반드시 은하의 모든 곳에 선명한 흔적을 남기게 될 것입니다.



워프 9.99를 꾸준히 유지할 수 있는 기술을 가졌다 할지라도 가장 가까운 은하인 안드로메다까지는 가려면 252년이 넘는 시간이 소모되므로, 우리는 광속의 한계를 깨는 순간 다시 만나게 되는 워프 10의 장벽에 도전할 것입니다. 그래서 언젠가는 천억 개의 은하로 진출해 문명을 전수하는 '모든 문명의 표상(表象)'이 되는 날이 올 것입니다