빛보다 빠른물질 타키온

다들 알고 계시겠지만 우주에 빛보다 빠른 건 존재하지 않습니다. 빛의 속도에 가까워질수록 질량이 증가하고 그 증가한 질량을 가속시키기 위해 또 에너지가 필요하고 또다시 무거워지고 그렇게 또.... 이런 과정을 반복하기에 이런 이유로 질량이 있는 물체는 광속을 넘을 수 없는 게 상대성이론의 결론입니다. 오늘 할 이야기는 빛보다 빠른 타키온에 대한 이야기입니다. 물론 빛보다 빠른 물질은 없다는 게 상식입니다. 그러나. 분명 저는 질량이 있는 물체는 광속을 넘을 수 없다고 이야기했습니다. 그렇다면 타키온은 질량이 없는 것일까요? 아닙니다. 질량이 없다면 표준모형에서는 힉스 입자가 없다는 의미이고, 이럴 경우 그 물체는 광속을 지니게 됩니다. 사실상 전자기파(빛)가 되는 것이죠. 그런데 분명 SF영화에서는 항상 타키온 이야기가 나옵니다. 그렇다면 타키온은 허구일까요...? 사실 타키온은 가상의 입자가 맞지만, 그것이 생겨난 이야기는 정말로 재미납니다. 

 

 

 

 

*타키온은 실제로 존재할까?

이런 타키온의 이야기가 나오게 된 것은 아인슈타인 때문입니다. 고전역학이 발달한 이후부터 SF 장르의 소설은 항상 큰 인기였습니다. 로켓이 만들어지기 훨씬 전부터 하늘 높이 우주로 가고 싶어 하는 인간의 탐험 욕구와 호기심은 엄청났습니다. 위 사진은 무려 120년 전에 만들어진 최초의 SF영화의 표지입니다. 조지 멜리에스의 달세계 여행이라는 영화입니다. 이 영화 작가는 엄청나게 강력한 대포를 이용해서 달에 간다는 소재로 이야기가 전개됩니다. 재미난 것은 이때에는 세계 1차 대전이 일어나기도 훨씬전으로  로켓이 개발되기 한참 이전이었는데, 이런 상상을 인간은 이미 하고 있었다는 겁니다. 이것보다 더 전부터 우주로 가는 인간의 상상은 수많은 SF소설들을 만들어왔습니다. 그러다 보니, 일부 진취적인 SF소설에서는 태양계를 넘어서 우주의 다른 별이나 다른 은하에 가서 외계인을 만나는 부류의 SF영화가 생겨나기 시작합니다.

 

 

그런데, 천문학자들이 하늘의 별들을 본 결과 우리 은하에 있는 별이 가장 가까워봐야 4.3광년 거리에 있었고, 심지어 수천 광년 떨어진 별도 태양계와 매우 가까운 편이라는 것을 알게 되었습니다. 따라서 SF소설에서는 이 문제를 해결하기 위해 인류가 빛보다 훨씬 빠르게 이동하는 우주선, 즉 초광속을 내는 우주선을 개발했다는 설정을 전제로 했었습니다. 그런데 이 와중에 아인슈타인이 반발을 하게 됩니다. 상대성이론으로 우주에 있는 모든 물질은 빛보다 빠를 수 없다는 것을 강하게 증명을 해버립니다. 심지어 이 상대성이론은 다른 과학자들이 깨려고 해도 너무 견고해서 깨지지가 않습니다. 그래서 이때부터 빛보다 빠르게 여행하기 위해서는 시공간을 휘거나, 웜홀을 찾는 것과 같은 이야기를 한 것을 보면 정말로 인간의 상상력이 대단하다고 여겨집니다. 그런데, 독일의 물리학자 조머펠트는 상대성이론의 공식으로부터 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 게 가능하다고 수학적으로 증명을 하게 됩니다.

 

 

 

*이론상으로 존재하는 타키온 그리고 결론

조머펠트의 주장은 정지 질량(M)이 만약 제곱을 해서 음수가 나오는 상황이 생긴다면 빛보다 빠른 물질이 가능하다는 것이었습니다. 그런데, 우리가 알고 있는 모든수들은 제곱을 하면 당연히 양수가 될 수밖에 없습니다. 조머펠트의 주장은 질량이 만약에 허수로 되어있을 경우 그 물체는 빛보다 빠를 수밖에 없다는 것입니다. 문제는 초끈이론이나 양자역학으로 내려가게 되면 이 이론들이 타키온의 존재를 수학적으로 허용한다는 겁니다. 우리가 알고 있는 우주가 불안정하면 이론적으로 이런 것들이 가능하다는 겁니다. 만약, 우리 우주를 불안정하게 만들거나, 불안정한 다중 우주가 있다며 타키온의 존재는 항상 허용된다는 재미난 이야기입니다. 심지어 SF소설인 'Old Man's War'에서 이 원리를 이용하여 우주라는 시스템을 속여 우주선을 공간 도약시켜 다른 별로 이동한다는 재미난 아이디어가 나옵니다. 이 소설이 흥미로운 이유는 우주라는 시스템의 버그를 이용하여 양자 도약을 하게 되면, 이론적으로 타키온이라는 입자가 도약한 위치에 나온다는 재미난 설명을 하는 등 작가가 상대성이론과 양자역학을 깊게 이해하는 게 느껴지기 때문입니다. 결론을 말하자면 우리가 아는 한 현실에서는 타키온이 존재하지 않습니다. 하지만, 수학공식 안에서 타키온이라는 입자는 존재할 수 있다는 겁니다. 재미있는 상상이고, 발견될 일은 없지만 정말로 인간의 상상력은 대단한 것 같습니다.