비가향 웜홀
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1. 개요
비가향 웜홀은 웜홀의 한 종류로, 물체의 카이랄성을 반전시키는 특성을 가지며, 물질과 반물질의 변환을 가능하게 할 수 있다. 이러한 웜홀을 포함하는 우주는 '앨리스 우주'로 불리며, 전하에 대한 전역적인 정의가 불가능하다는 특징을 갖는다. 앨리스 우주는 닫힌 3차원 공간이며, 임의의 두 지점 사이에는 최소 두 개의 위상적으로 구별되는 경로가 존재한다. 앨리스 우주에서는 입자가 물질인지 반물질인지 정의할 수 없으며, 전하의 극성을 식별하는 능력을 상실하여 CP 위반이 불가능하다.
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2. 이론
웜홀을 통해 두 공간 영역을 연결하는 방식에는 위상적으로 서로 다른 두 가지 주요 유형이 존재한다. 하나는 "정상적인" 연결 방식으로, 이 웜홀을 통과하면 마치 거울에 비친 것처럼 상이 반전되어 나타난다. 다른 하나는 "반전된" 연결 방식으로, 이를 통과하는 물체는 카이랄성이 반전되는 특징을 보인다. 이렇게 반전된 연결 방식을 가진 웜홀을 특히 비가향 웜홀이라고 부른다.
비가향 웜홀은 통과하는 물체의 카이랄성을 바꾸는 독특한 성질 때문에 흥미로운 이론적 가능성을 제시한다. 예를 들어, 이를 통과함으로써 물질을 반물질로, 또는 반대로 반물질을 물질로 변환할 수 있을 가능성이 제기된다. 또한, 이러한 비가향 웜홀이 존재한다면 우주 전체에 걸쳐 전하에 대한 일관된 정의를 내리는 것이 어려워질 수 있으며, 이는 "앨리스 우주"라는 특수한 우주 모델 개념으로 이어진다. 웜홀 연결 방식에 대한 구체적인 시각화 방법과 각 유형의 상세한 특징 및 결과는 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.
2. 1. "정상" 웜홀 연결
맷 비서는 웜홀 기하학을 시각화하는 방법을 다음과 같이 설명했다.# "일반적인" 공간 영역을 취한다.
# 두 영역에서 구형 부피를 "외과적으로 제거"한다("시공간 수술").
# 두 구형 경계를 ''연결''하여, 하나의 "누락된" 구형 부피로 들어가려는 선이 하나의 경계면을 만나고 다른 쪽에서 바깥으로 계속 나오도록 한다.
이 지침은 간단해 보이지만, 두 표면이 서로 사상될 수 있는 위상적으로 뚜렷한 두 가지 방법이 있다. 만약 우리가 지구 표면의 지도를 웜홀 입구 중 하나에 그린다면, 이 지도는 두 번째 입구에서 어떻게 보일까?
"정상적인" 웜홀의 경우, 점들의 네트워크는 두 번째 표면에서 거꾸로 보일 것이며, 마치 하나의 표면이 다른 표면의 거울 이미지인 것처럼 보일 것이다. 국가들은 앞뒤가 바뀐 채로 보일 것이고, 지도에 쓰여진 텍스트도 마찬가지일 것이다. 이는 어떤 의미에서 두 번째 입구가 "반대편에서" 본 동일한 지도의 모습을 보여주기 때문이다.
2. 2. "반전" 웜홀 연결
표면을 연결하는 또 다른 방식은 양쪽 입구에서 "연결 맵"이 동일하게 나타나도록 하는 것이다.이러한 연결 방식은 웜홀을 통과하는 물체의 카이랄성(손지기)을 반전시키는 특징을 가진다. 예를 들어, 우주선 조종사가 앞쪽 창문 안쪽에 "IOTA"라는 글자를 썼다고 가정해 보자. 우주선의 앞부분이 웜홀을 통과하고 창문이 표면과 교차할 때, 다른 쪽 입구에서 유리창을 통해 들여다보는 관찰자는 나타나는 우주선의 창문에 여전히 "IOTA"라고 쓰인 것을 보게 된다. 하지만 우주선이 완전히 통과한 후, 관찰자가 우주선 조종석 안을 들여다보면 유리 안쪽에 쓰인 글자가 실제로는 "ATOI"라는 것을 발견하게 된다. 이는 글자의 카이랄성(그리고 조종사를 포함한 우주선 내부의 모든 것)이 웜홀을 통과하면서 거울상처럼 반전되었기 때문이다.
2. 2. 1. 이에 따른 결과들
비가향 웜홀은 통과하는 물체의 카이랄성을 반전시키는 특징을 가진다. 이는 마치 왼손 나사산을 오른손 나사산으로, 왼손 장갑을 오른손 장갑으로 바꾸는 것과 같다. 물체의 카이랄성을 반전시키는 것은 일반적으로 전하의 부호를 반전시키는 것과 관련이 있다. 예를 들어, 양전자는 시간이 역전된 전자로 간주될 수 있는데, 이는 전자가 통상적인 시간 흐름 대신 한 공간 차원이 반전된 상태로 존재하는 것과 유사하게 볼 수 있다.따라서 통과 가능한 비가향 웜홀이 존재한다면, 이를 통과함으로써 물질을 반물질로, 또는 반대로 반물질을 물질로 변환하는 것이 가능해질 수 있다.
이러한 비가향적인 연결을 포함하는 우주에서는 특정 입자가 '정말로' 물질인지 반물질인지에 대한 우주 전체에 걸쳐 통일된 정의를 내릴 수 없게 된다. 이처럼 '''전하에 대한 전역적 정의가 없는''' 특수한 종류의 우주 모델은 연구 논문 등에서 "앨리스 우주"라고 불린다.
3. 앨리스 유니버스
이론물리학에서 '''앨리스 우주'''는 전하에 대한 전역적인 정의가 없는 가상의 우주이다. 이는 마치 클라인 병이 닫힌 2차원 표면인 것처럼, 앨리스 우주는 닫힌 3차원 공간에 해당한다고 볼 수 있다. 이 이름은 루이스 캐럴의 동화 ''거울 나라의 앨리스''의 주인공 이름에서 따왔다.
앨리스 우주는 전하를 전역적으로 정의할 수 없는 독특한 위상학적 특징 때문에 물질과 반물질의 구분이 모호해지거나, 경로에 따라 입자 간 상호작용(인력 또는 척력)이 달라지는 등의 현상이 나타날 수 있다. 이러한 특징과 관련된 개념으로 '체셔 전하' 등이 있으며, 앨리스 우주에서는 CP 위반이 불가능한 것으로 여겨진다.
3. 1. 앨리스 유니버스의 특징
앨리스 우주는 임의의 두 지점 사이에 적어도 두 개의 위상학적으로 구별되는 경로가 존재한다고 볼 수 있다. 만약 하나의 연결(또는 "손잡이")을 "전형적인" 공간 연결로 본다면, 다른 하나 이상의 연결은 비가향 웜홀과 같은 것으로 간주해야 한다.이러한 두 가지 연결 방식 때문에, 특정 입자가 물질인지 반물질인지 전역적으로 정의하는 것이 불가능해진다. 예를 들어, 어떤 입자는 하나의 경로를 따라 관측하면 전자로 보이지만, 다른 경로를 따라 관측하면 양전자로 보일 수 있다. 루이스 캐럴의 체셔 고양이에 빗대어, 크기는 존재하지만 지속적으로 식별 가능한 극성을 가지지 않는 전하를 문헌에서는 '체셔 전하'라고 부른다. 체셔 고양이의 몸은 나타났다 사라지기를 반복하지만 미소만은 계속 남아있는 것에 비유한 것이다. 만약 기준이 되는 전하를 임의로 양전하로 정의하고 '정의되지 않은 전하'를 가진 입자와 상호작용시킨다면, 두 입자는 어떤 경로를 따라서는 서로 끌어당기고, 다른 경로를 따라서는 서로 밀어낼 수 있다. 즉, 앨리스 우주에서는 국소적인 경우를 제외하고는 양전하와 음전하를 전역적으로 구별할 수 없다. 이러한 특성 때문에 앨리스 우주에서는 CP 위반이 불가능하다.
뫼비우스의 띠와 유사하게, 일단 두 개의 구별되는 연결 경로가 존재하면 어떤 경로가 "정상"이고 어떤 경로가 "반전"된 것인지 더 이상 구별할 수 없게 된다. 전하에 대한 전역적인 정의가 불가능하다는 것은 전역 기하학의 특징이 된다. 이는 뫼비우스 띠의 작은 부분을 보면 종이의 양면을 국소적으로 구별할 수 있지만, 띠 전체를 고려하면 그 구분이 사라지는 것과 비슷하다.
4. 한국 물리학계의 관점
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