여러분들은 ‘스타트랙’이라는 영화를 보신적이 있나요?
먼 우주 속을 탐험하고 그 곳에서 일어나는 여러 가지 에피소드를 다루는 스타트랙 시리즈는 알고 보면 상당히 오래된 시리즈물입니다. 이 시리즈의 시작은 1966년에 미국의 한 방송사의 드라마로 시작되었는데, 당시의 기술로 우주를 표현하는 것이 상당히 많은 제작 비용을 필요로 했기에 방영이 중단되기도 하였습니다. 그렇지만 우주를 항해하는 엔터프라이즈의 모습은 사람들을 매료시켰고, 지금까지도 그 시리즈가 이어져 오고 있으며, 최근에는 영화로 과거 TV로 방영되었던 에피소드를 다시 만든 리부트 영화가 나오기도 했습니다. 약 50여년 동안 이어진 스타트랙 시리즈는 최근에 와서는 컴퓨터 그래픽의 도움을 받아 점점 더 멋진 영상미를 보여주고 있는데요, 광활한 우주와 거대한 우주선들은 마치 진짜를 보는 것처럼 잘 만들어져서 볼 때 마다 탄성을 자아내는 장면들이 많이 있습니다.
그런데 이렇게 멋진 장면이 많은 스타트랙에서도 눈이 가는 명장면들이 있는데, 그 중 하나가 바로 거대한 우주선이 워프하는 장면일 것입니다. 영화에서는 먼 거리에 있는 별을 여행하기 위해서 워프라고 하는 방식을 이용해서 아주 빠르게 이동하는 것을 볼 수 있어요. 이 장면은 주변에 있는 물체들은 아주 빠르게 지나가고 우주선은 어디론가 빨려 들어가는 것처럼 보입니다. 그리고 몇 분만 지나면 아주 먼 거리에 있는 별에 도착하는 것을 보여주고 있습니다.
비록 공상과학 영화이기 때문에 나오는 장면이지만 이렇게 먼 거리를 순식간에 이동할 수 있다면 얼마나 좋을 까요? 그렇게 된다면, 아주 멀리 있는 별은 무리라고 하더라도 태양계에 있는 별들로는 여행이 가능할 텐데 말이죠. 그런데 이러한 일들이 꼭 허구만은 아니라는 사실, 알고 계신가요? 많은 과학자들이 스타트랙에 나오는 것처럼 우주를 여행하는 방법을 연구하고 있는데, 최근에는 한 과학자가 영화 속에서 나오는 것처럼 ‘워프’를 하는 것이 비현실적인 것은 아니라고 한다고 해서 주목을 받고 있습니다. 그래서 오늘 케미칼 스토리에서는 스타트랙에 나오는 엔터프라이즈 호처럼 우주를 여행하는 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
도시에서는 밤 하늘의 아름다움을 느끼기 어렵지만, 도시를 벗어나 여행을 떠나면 어두운 하늘을 수놓는 멋진 별들을 볼 수가 있습니다. 반짝반짝 빛나는 별들을 보고 있으면 감상에 빠지곤 하는데요, 가끔은 저 별에 가려면 어떻게 해야 하나, 얼마나 멀리 있길래 아직 저 별에 못 가고 있는지 궁금할 때가 많이 있습니다. 이렇게 하늘에 떠있는 별은 얼마나 멀고 어떻게 거리를 재고 있을까요?
별의 거리를 측정하는 방법은 다양한 방법이 이용되고 있으며, 가까운 별을 측정하는 방법으로는 연주시차라는 것을 이용해서 거리를 측정하고 있습니다. 지구는 태양을 중심으로 회전을 하고 있는데, 이러한 회전 때문에 하늘에 떠있는 별이 고정되어 있지 않고 시간에 따라서 변화를 하고 있습니다. 이렇게 별들의 위치 변화를 이용해서 거리를 측정하는 것이 가능하며, 이것은 수학적인 수식을 이용해서 거리를 측정하는 방법입니다. 또 다른 방법은 거리가 멀어짐에 따라서 빛의 밝기가 약해지는 것을 이용해서 거리를 측정하는 방법이 있습니다. 우리가 손전등으로 빛을 비추어도 가까운 곳은 밝게 보이지만 멀리 있는 곳을 비추면 빛의 밝기가 약해지는 것처럼 별들도 실제 밝기와 우리가 보는 별의 밝기는 차이가 있습니다. 이것이 거리에 따라 차이가 있기 때문에 밝기 감소를 측정해서 별의 거리를 측정하는 것이 가능합니다. 이외에도 과학자들이 다양한 방법을 통해서 별의 거리를 측정하고 있습니다.
그런데 이렇게 별의 거리를 측정하게 되면 그 거리가 우리가 상상하는 이상으로 멀리 있습니다. 예를 들어, 태양의 경우 지구와의 거리가 약 1억 5천만 킬로미터로 엄청난 거리입니다. 그리고 태양계 밖 행성의 경우, 이보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있는데, 이 때문에 천문학에서는 킬로미터라는 단위를 쓰기 보다는 AU나 광년, 그리고 파섹이라는 단위를 쓰고 있습니다. AU는 지구와 태양 간의 거리를 1로 놓고 거리를 측정하는 것입니다.
1광년은 빛이 1년동안 이동할 수 있는 거리인데요, 1초에 지구를 7바퀴 반을 돌 수 있는 빛의 속도를 생각해보면 아주 먼 거리를 이동할 것으로 보입니다. 실제로 빛의 속도로 달리게 되면 1년 뒤 갈 수 있는 거리는 약 9조 4630억 킬로미터라고 합니다. 이 정도의 거리를 사람이 걸어가면 1조 5700억 시간이고 1.8억년 정도 걸리게 됩니다. 시속 100km로 달리는 자동차로 가도 약 1100만년이나 걸리는 거리인데요, 이렇게 멀리 있는 1광년이지만 어떤 별들은 이보다도 더 멀리 존재하는 별들도 있습니다. 수 십 광년에서 수 백 광년 이상 떨어져 있는 별도 있습니다. 이렇게 멀리 있는 별들로 여행을 떠나기 위해서는 자동차로 달릴 수 있는 속도로는 너무나 멀리 있기 때문에 이보다 더 빠른 속도로 달릴 수 있는 엔진들이 연구되고 있습니다.
태양광을 이용한 로켓 엔진인 솔라 세일
기존의 사용한 로켓 엔진은 지구에서 우주로 나가게 해줄 정도로 빠르게 이동하는 것을 가능하게 해주었지만 문제는 더 멀리 있는 별로 이동이 어렵다는 것입니다. 아주 멀리 있는 별로 이동하기 위해서는 빠른 속도도 중요하지만 이동하는 동안 필요한 에너지를 공급받아야 하는데, 기존의 로켓 엔진으로는 이러한 것이 불가능 합니다.
그래서 여러가지 새로운 엔진들이 연구 되고 있는데, 그 중의 하나가 솔라 세일 입니다. 솔라 세일은 태양광을 이용해서 이동하는 방식인데, 태양전지를 이용해서 에너지를 얻어 이동하는 방식이 아니라 마치 바다에 떠있는 돛단배처럼 돛을 이용해서 앞으로 나아가는 방식입니다. 돛단배에 경우 바람을 이용해서 앞으로 나아가고 있는데, 막상 생각해보면 우주에는 바람이 불지 않기 때문에 이러한 방법이 가능한가 생각됩니다. 그런데 우주에도 바람은 없지만 앞으로 밀어주는 힘이 존재하며, 이것이 바로 태양광입니다. 태양광은 질량은 없지만 물체를 밀어줄 수 있는 힘을 가지고 있는데, 이 힘이 너무 약해서 사람은 느끼기 힘들지만 돛을 달고 충분히 오랜 시간 동안 기다리면 앞으로 나아가는 것이 가능하다고 합니다.
실제로 이러한 방법을 이용해서 우주를 항해한 우주선이 있답니다. 일본에서 만든 이카로스라는 우주선은 이러한 솔라세일 방식을 이용해서 금성을 탐사하는데 성공을 하였습니다. 이러한 방식의 우주선은 상당히 장시간 동안 특별한 에너지 공급 없이도 우주를 여행하는 것이 가능하다는 것을 보여주었지만, 문제는 속도가 상당히 느리고 태양광이 잘 미치지 않는 곳에서는 항해가 순조롭지 않다는 문제가 있습니다.
새로운 우주선 로켓 엔진 대안으로 떠오른 렘제트 융합
그래서 또 다른 대안들이 제시되고 있는데, 램제트 융합이 그 중 하나입니다. 램제트는 엔진 앞쪽에서 공기를 흡입해서 연료와 섞어서 폭발 시킨 뒤, 이를 이용해 앞으로 나아가는 엔진 방식인데요, 램제트 융합은 이러한 램제트에 공기대신 수소를 흡입하고 폭발을 핵융합이라는 방법으로 바꿔서 앞으로 나아가는 방법입니다. 이러한 방식의 램제트 융합 엔진을 달 경우 빛의 속도에 가까워지는 것은 당연하고 핵융합에 사용되는 수소는 우주에 정말 많이 있기 때문에 이론적으로는 무한히 움직일 수 있습니다. 그런데 이러한 램제트 융합을 이용한 우주선을 만들기 위해서는 수소를 빨아들이는 부분이 이론적으로는 약 160km정도로 아주 커야 하기 때문에, 이렇게 큰 우주선을 만들기 위해서는 지구에서 제작하는 것이 힘들고 우주에서 만들어야 한다고 합니다. 또한 핵융합 기술은 아직 연구 초기단계라서 현실에서 사용하기에는 아직 무리라는 점도 이러한 엔진을 이용한 우주선을 만드는 데에 문제가 있습니다.
영화 <천사와 악마> 中 나오는 반물질(영화장면 캡처)
또 다른 제안으로는 에너지원으로 반물질을 사용하는 엔진이 제시되었습니다. 반물질은 우리가 알고 있는 물질의 개념과는 반대되는 것으로 전하가 다른 물질을 말하는데, 예를 들어 전자는 일반적으로 음전하를 가지고 있지만 전자의 반물질은 음전하가 아닌 양전하를 가지고 있습니다. 이러한 반물질들은 물질과 만나면 상당히 큰 에너지를 방출하게 되며, 이 에너지를 이용하면 먼 거리의 별에도 이동하는 것이 가능하다고 합니다. 화성까지 가는데 필요한 반물질의 양은 0.004g만 있으면 되고 100g 정도만 있으면 가까운 별까지 여행도 가능하다고 합니다. 이렇게 엄청난 에너지를 가지고 있는 반물질은 현재 가지고 있는 기술로 1g을 만드는 데에 천문학적인 돈이 필요하다고 합니다. 이 반물질이라는 것이 입자가속기라는 기계를 이용해야 만들어지기 때문에 현재로는 연료로 쓰일 만큼 많은 양을 만드는 것이 어렵다고 합니다. 그렇지만 미래에 이러한 반물질을 대량 생산이 가능해 지면 우주여행 이러한 반물질을 사용하는 것이 가능하다고 합니다.
이렇게 다양한 엔진들이 연구되고 있지만 이들 엔진들은 빛보다 빠르게 움직일 수가 없습니다. 이것은 물리학의 절대적인 법칙인데요, 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 모든 물체는 아무리 빨라도 빛보다 빠르게 움직이는 것이 불가능합니다. 그래서 정상적인 방법으로 낼 수 있는 속도로는 빛의 속도가 최고 입니다. 그러나 앞에서 이야기 한 것처럼 빛과 똑같은 속도로 달려보아도 수 백광년이나 떨어진 별로 가는 데에 수 백년이 걸릴 것 입니다. 그렇다면 스타트렉에 나오는 엔터프라이즈 호처럼 먼 우주로 나가는 것은 어려운 것일까요?
최근에 미항공우주국(NASA)에서는 한 가지 재미있는 연구를 하고 있다고 발표했습니다. 그것은 바로 스타트렉에 나오는 워프에 대해서 연구를 진행하고 있다고 합니다. 영화에서 보면 아주 멀리 있는 수 백 광년이나 떨어진 별을 수분이면 이동하는 워프가 실현되기 위해서는 빛보다 더 빠른 속도로 달려야 하는데요, 아인슈타인의 상대성이론과는 배치가 되는 내용입니다. 그런데 어떻게 이런 일이 가능하다고 하는 것일까요?
이 연구팀이 제시한 방법은 시공간을 변형시키면 빛보다 빠른 속도로 움직이는 것이 불가능한 것은 아니라고 합니다. 상대성이론은 정상적인 시공간에서는 적용이 되지만 이렇게 시공간을 변형시킬 경우 상대성이론이 적용되지 않기 때문에 꼭 빛보다 빠르게 가는 것이 불가능 한 것은 아니라고 합니다. 현재 기술로는 알파 센타우리라는 제일 가까운 항성계로 가는데 7만 5000년이라는 시간이 걸리지만 이러한 워프 기술을 이용할 경우 2주면 도착 할 수 있다고 합니다. 정말 빠르지 않나요?
이러한 기술이 가능한 지에 대해서는 아직 몇 가지 의문이 남아있지만 현재까지 연구결과로 보면 실현 불가능한 방법은 아니라고 하며 가까운 미래보다는 먼 미래에 실현될 가능성이 높다고 합니다.
지금까지 스타트렉처럼 우주를 여행하는 것이 가능한지 알아보았습니다. 지금과 같이 연구가 진행되면 먼 미래에는 우주여행을 하는 것이 일상이 될 텐데요, 그러면 지금처럼 궁금했던 외계인의 존재나 생명체가 있는 제2의 지구가 존재하는 지 알게 되는 날이 오지 않을 까 생각되네요.
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- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
미래의 물리학, 미치오 카쿠
한국경제, '스타트렉'의 순간이동, 불가능하다고?
http://www.hankyung.com/news/app/newsview.php?aid=200905108573g
스타트렉 다크니스 공식 홈페이지
http://www.stidmovie.co.kr/