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초광속 통신

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목차

1. 개요

초광속 통신은 빛의 속도보다 빠르게 정보를 전달하는 이론적 개념으로, 특수 상대성 이론에 위배될 수 있어 논란이 된다. 타키온, 양자 얽힘, 웜홀, 선진파, 평행 우주 등 다양한 이론이 초광속 통신 가능성을 제시하지만, 타키온은 가상의 입자이며 양자 얽힘은 정보 전달에 한계가 있다. 웜홀은 막대한 에너지가 필요하고, 선진파는 관측되지 않으며, 평행 우주는 가설에 불과하다. 만약 초광속 통신이 실현된다면, 과거로의 정보 전달이 가능해져 인과율이 붕괴될 수 있다는 문제점도 제기된다. SF 소설에서는 앤시블, 하이퍼웨이브 등 다양한 초광속 통신 장치가 등장하며, 초능력적 연결도 초광속 통신 수단으로 묘사되기도 한다.

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  • 초광속 통신 - 양자 얽힘
    양자 얽힘은 두 개 이상의 양자계가 얽혀 개별적인 기술이 불가능한 상태로, 한 계의 측정 결과가 다른 계에 즉각적인 영향을 주는 것처럼 보이는 비국소적 상관관계를 나타내며, 양자 정보 과학 발전에 기여하고 거시적 객체 및 양자 중력 연구에도 활용된다.
초광속 통신

2. 이론적 배경

빛보다 빠른 속도는 특수 상대성 이론의 맥락에서 시간 여행을 의미한다는 것을 보여주는 시공간 다이어그램이다. 우주선은 A에서 C까지 빛보다 느린 속도로 지구를 출발한다. B에서 지구는 타키온(빛보다 빠르지만 지구의 참조 프레임에서 시간적으로 앞으로 이동하는 입자)을 방출한다. 이 타키온은 C에서 우주선에 도달한다. 그 후 우주선은 또 다른 타키온을 C에서 D로 지구로 다시 보낸다. 이 타키온 또한 우주선의 참조 프레임에서 시간적으로 앞으로 이동한다. 이것은 사실상 지구가 B에서 D로, 즉 과거로 신호를 보낼 수 있게 한다.


초광속 통신은 현재의 과학 기술로는 불가능하지만, 이론적으로 몇 가지 가설들이 제시되고 있다.

타키온, 양자 얽힘, 웜홀 등이 초광속 통신을 가능하게 할 수 있는 가설로 거론되지만, 이 가설들은 현재 과학적으로 증명되지 않았거나, 실현 가능성이 매우 낮다.

일반적으로 초광속 항법과 초광속 통신이 동시에 실현되는 설정을 채택하는 작품이 많지만, 초광속 항법은 가능하지만 초광속 통신은 불가능하거나 실현되지 않은(또는 그 반대) 작품도 있다. 아이작 아시모프의 SF 소설 『네메시스』에서는 뉴턴 역학에서 맥스웰 방정식에 이르기까지 2세기를 요했던 것을 예로 들어, 전자기파를 다루는 초광속 통신 쪽이 기술적 난이도가 높고 실현되지 않았다고 한다.

초광속 항법에서 초광속 통신은 가능하지만(최소한 어떤 미디어를 운반할 수는 있다), 그 반대는 불가능하다.

2. 1. 타키온

타키온 입자는 빛보다 빠르게 이동하는 가상의 입자로, 초광속 통신을 가능하게 할 수 있다고 여겨진다. 그러나 이러한 입자는 알려진 물리학 법칙을 위반하기 때문에 많은 과학자들은 그 존재를 거부한다. 타키온장은 상상의 질량을 가진 양자장으로 실제로 존재하며, 특정 상황에서 초광속 군속도를 나타내기도 한다. 하지만 이러한 장은 광속의 신호 속도를 가지며, 초광속 통신을 허용하지 않는다.

1960년대에 제럴드 파인버그가 제창한 타키온은 양의 질량을 가진 일반 물질(타디온)이 항상 광속보다 느리게 움직이며 광속에 도달하기 위해서는 무한대의 에너지가 필요하여 광속의 벽을 넘을 수 없는 것과 반대로, 정지 질량이 허수인 타키온은 항상 광속보다 빠르게 움직인다고 여겨진다. 타키온은 에너지를 가할수록 감속하여 광속에 접근하지만, 결코 광속보다 느려질 수 없다는 점에서 일반 물질과는 반대 의미의 "광속의 벽"이 존재한다.

하지만, 타키온은 아직 가상적인 존재이며, 실제로 검출되었다는 유력한 보고가 없으므로, 현재로서는 꿈의 통신 기술이다. 또한, 설령 타키온이 실재하더라도, 일반 물질과 전혀 간섭하지 않는다면 관측이나 통신이 불가능할 수도 있다.

2. 2. 양자 얽힘

양자역학은 멀리 떨어진 계가 얽혀 있을 수 있다는 점에서 비국소적이다. 얽힌 상태는 측정 결과가 무작위적임에도 불구하고, 측정이 거의 동시에, 매우 먼 거리에서 이루어질 때에도 상관관계를 나타낸다. 초광속 통신의 불가능성은 아인슈타인, 포돌스키, 로젠이 양자역학이 불완전하다고 주장하도록 이끌었다(EPR 역설 참조).

그러나 양자 얽힘이 초광속으로 어떠한 영향이나 정보도 전달할 수 없다는 것은 현재 잘 알려져 있다. 실제로, 얽힌 입자 쌍 중 하나의 입자를 특정 양자 상태로 강제하려는 시도는 두 입자 사이의 얽힘을 깨뜨린다. 즉, 얽힌 쌍의 다른 구성원은 이러한 "강제" 작용에 완전히 영향을 받지 않으며, 해당 양자 상태는 여전히 무작위로 유지된다.[2] 선호되는 결과는 양자 측정에 인코딩될 수 없다.

기술적으로, 미시적 인과율 공리는 공리적 양자장론에서, 정통 양자장론으로 설명될 수 있는 현상을 사용하여 초광속 통신이 불가능함을 의미한다. 이의 특수한 경우는 비통신 정리인데, 이는 시공간적으로 분리된 두 관찰자 간에 공유되는 복합 시스템의 양자 얽힘을 사용하여 통신하는 것을 방지한다.

두 양자 간의 상관관계가 시간을 초월하여 즉각적으로 상대방에게 전달된다는 아인슈타인-포돌스키-로젠 역설을 응용한 초광속 통신.

2. 3. 웜홀

웜홀이 가능하다면, 일반적인 광속 이하 통신 방식을 통해 시공간의 비국소적 영역에서 사실상 초광속 통신 속도를 얻을 수 있다.[3] 현재 이론에 따르면 우주선이 통과할 수 있을 만큼 큰 웜홀을 열기 위해 막대한 에너지 또는 음의 질량/음의 에너지를 가진 특이한 물질이 필요하다고 제안하고 있으므로, 원자 규모의 웜홀만 제작이 실용적일 수 있으며, 그 사용은 정보 전송에만 국한될 수 있다. 웜홀 형성에 대한 일부 가설은 웜홀이 "시간 구멍"이 되는 것을 막아, 과거와의 통신을 허용하는 추가적인 복잡성 없이 초광속 통신을 가능하게 할 것이다.[4]

초광속 항행에 사용할 수 있는 평행 우주가 존재할 경우, 그 우주에서의 광속은 이쪽 우주의 광속을 기준으로 할 때 그보다 빠르다고 추측된다. (우주선이 광속보다 훨씬 느린 속도로 초광속 이동이라는 결과를 얻기 때문에, 전파는 물론 이쪽 우주를 기준으로 초광속으로 전파된다는 논리이다.) 따라서 통신 전파를 한 번 그 우주를 경유함으로써 수신 측에 초광속으로 전달하는 것이다. 이와 유사한 것으로는, 웜홀을 경유하는 통신도 있다.

2. 4. 선진파

맥스웰 방정식에서 유도되는 선진파를 이용한 통신이다. 맥스웰 방정식에서는 시간에 대해 대칭적인, 미래를 향해 나아가는 지연파와 과거를 향해 나아가는 선진파의 두 종류의 해가 유도되지만, 이 중 우리가 사용할 수 있는 것은 발신한 후 시간을 두고 수신하는 지연파의 전자기파뿐이다. 시간을 거슬러 발신 전에 수신하는 선진파는 결코 관측되지 않는다. 따라서 실용적인 면에서는 선진파의 존재는 무시된다. 이 비대칭성에 대해 리처드 필립스 파인만은 미래에서 과거로 오는 선진파는 과거에서 미래로 향하는 지연파에 의해 상쇄되어 관측할 수 없게 된다는 흡수 이론을 주장했다. 만약 이 선진파를 이용할 수 있다면 과거로 정보를 전송하는 것도 가능하다.

2. 5. 평행 우주

초광속 항행에 사용될 수 있는 평행 우주가 존재한다면, 그 우주에서의 광속은 이쪽 우주의 광속보다 빠를 것으로 추측된다. 우주선이 광속보다 훨씬 느린 속도로 초광속 이동을 할 수 있다면, 전파 역시 이쪽 우주를 기준으로 초광속으로 전달될 수 있다는 것이다. 따라서 통신 전파를 그러한 우주를 경유하게 함으로써 수신 측에 초광속으로 전달할 수 있다. 웜홀을 경유하는 통신도 이와 유사한 방식이다.

3. SF 작품에서의 초광속 통신

SF 작품에서는 초광속 통신을 위한 다양한 장치들이 등장한다.


  • E. E. 스미스는 렌즈맨 시리즈에서 "울트라웨이브"라는 용어를 사용했는데, 이 파동은 서브 에테르를 통해 전파되며 통신 등에 사용될 수 있었다.
  • 제임스 블리시의 ''도시 속의 비행'' 시리즈는 위상 속도를 사용하여 정보를 전달하는 울트라웨이브 통신을 특징으로 했다.
  • 리처드 K. 모건의 다케시 코바치 소설에서 멀리 떨어진 행성의 인간 식민지는 ''과공간 니들캐스트''를 통해 지구 및 서로와 연락을 유지한다.
  • 어슐러 K. 르 귄은 하이니시 사이클에서 앤시블이라는 즉각적인 통신 장치를 고안하여 사용했다. 오슨 스콧 카드의 엔더의 게임 시리즈에서 앤시블은 주요 통신 수단으로 사용되며, 제인이라는 인공지능이 앤시블 네트워크 내에 존재한다. 엘리자베스 문의 바타의 전쟁 시리즈에서도 앤시블은 주요 플롯 요소이다.
  • 어니스트 클라인의 소설 ''아마딜라''에서 외계 침략자들은 즉각적인 "양자 통신" 기술을 가지고 있다.
  • 매스 이펙트 비디오 게임 시리즈에서 양자 얽힘 통신기를 우주선의 통신실에 배치하여 즉각적인 통신이 가능하다.
  • 아바타 세계관에서 얽힌 입자의 상태를 미세하게 제어하여 초광속 통신이 가능하지만, 매우 느리고 비용이 많이 든다.
  • 찰스 스트로스의 소설 ''특이점의 하늘''과 ''아이언 선라이즈''는 얽힌 입자를 사용하여 즉각적인 양방향 통신을 하는 "인과 채널"을 사용한다.
  • 류츠신의 소설 ''삼체''에서, 외계 종족인 삼체인들은 앤시블과 유사한 장치를 사용하여 지구의 협력자들과 실시간으로 통신한다.


일반적으로 초광속 항법과 초광속 통신이 동시에 실현되는 설정을 채택하는 작품이 많지만, 아이작 아시모프의 SF 소설 『네메시스』와 같이 초광속 항법은 가능하지만 초광속 통신은 불가능한 작품도 존재한다.

3. 1. 하이퍼웨이브

아이작 아시모프의 ''파운데이션'' 시리즈에서 "울트라웨이브"와 "하이퍼웨이브"는 초광속 통신 매체를 나타내기 위해 상호 교환적으로 사용된다. ''하이퍼웨이브 중계기''도 등장한다.[5] 래리 니븐은 자신의 알려진 우주 시리즈에서 초광속 통신 방법으로 ''하이퍼웨이브''를 사용했다. 유한한 초광속 속도로 우주선을 이동시키는 하이퍼드라이브와 달리, 하이퍼웨이브는 본질적으로 즉각적이었다.[5]

3. 2. 기타 장치

제임스 블리시의 디랙 통신기, 스타 트렉의 서브스페이스 통신, 프랭크 허버트와 필립 풀먼의 로드스톤 공명기 등 다양한 초광속 통신 장치가 SF 작품에 등장한다.

제임스 블리시의 여러 작품, 특히 1954년 단편 소설 "Beep"(''시간의 퀸쿵스''로 확장됨)에 등장하는 ''디랙 통신 장치''는 모든 활성 장치가 단일 펄스로 전송된 모든 메시지의 합을 시공간상에서 수신하여 과거, 현재, 미래에 대한 정보를 얻을 수 있게 한다.[5]

스타 트렉 유니버스에서는 서브스페이스가 초광속 통신(서브스페이스 라디오)과 여행을 수행한다.[5]

프랭크 허버트[10]와 필립 풀먼[11]은 '로드스톤 공명기'라는 비슷한 장치를 칭했다.

앤 매카프리의 ''크리스탈 싱어'' 시리즈에서는 행성 발리브란에서 채취하는 희귀한 "블랙 크리스탈"로 작동하는 즉각적인 통신 장치를 제시한다. 동일한 광물 매장지에서 채취한 블랙 크리스탈은 서로 공명하도록 "조율"될 수 있어서, 성간 거리에 떨어져 있어도 즉각적으로 진동하여 전화와 같은 음성 및 데이터 통신이 가능하다. 그레고리 키스의 시리즈 ''비이성 시대''에서는 "에테르스크라이버"가 단일 "차임"의 두 반쪽을 사용하여 통신하며, 과학적 연금술의 도움을 받는다.[12]

스티븐 R. 도널드슨은 그의 갭 사이클에서 '공생 결정 공명 전송'을 제안했는데, 이는 앤시블형 기술이지만 생산이 매우 어렵고 텍스트 메시지로 제한된다.

잭 윌리엄슨의 "접힌 손으로"(1947)와 ''휴머노이드''(1949)에서는 '로도마그네틱 에너지'를 통해 성간 공간을 가로지르는 즉각적인 통신과 에너지 전송이 가능하다.

이반 예프레모프의 1957년 소설 ''안드로메다 성운''에서는 "쌍극 수학"을 사용하여 무중력 그림자 벡터를 제로 필드와 반공간을 통해 탐구함으로써 정보와 물질을 즉시 전송하는 장치가 실현되었다.

에드먼드 해밀턴의 ''스타 킹'' (1949)에서는 서브스펙트럼 광선이라는 알려지지 않은 형태의 전자기 방사선이 빛보다 빠르게 이동한다.[13]

코르드와이너 스미스의 기구 소설과 이야기에서 행성 간 및 성간 통신은 일반적으로 행성에서 행성으로 중계되며, 각 단계마다 초광속 속도로 진행되지만 누적 지연이 발생한다. 긴급 통신의 경우 "즉시 메시지"가 있는데, 이는 사실상 즉시 전송되지만 매우 비싸다.[14]

하워드 테일러의 웹 코믹 시리즈 슐록 머시너리에서는 은하 전체를 아우르는 인터넷과 유사한 하이퍼넷을 통해 초광속 통신이 수행된다.

4. 초광속 통신과 관련된 문제점

초광속 통신은 시간 여행과 관련된 여러 가지 문제를 야기할 수 있다. SF 작품에서는 보통 초광속 항법과 초광속 통신이 동시에 가능한 설정을 채택하지만, 아이작 아시모프의 소설 『네메시스』처럼 초광속 통신이 기술적으로 더 어렵다고 설정하는 경우도 있다.

수백, 수천, 수만 광년 떨어진 항성 간에 시간 지연 없이 통신이 가능하다면, 그렇게 멀리 떨어진 장소에서 "동시"라는 절대적인 개념이 존재한다는 것이 되는데, 이는 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론에 위배된다.

4. 1. 인과율 문제

양자역학은 멀리 떨어진 계가 얽혀 있을 수 있다는 점에서 비국소적이다. 그러나 양자 얽힘이 초광속으로 어떠한 영향이나 정보도 전달할 수 없다는 것은 현재 잘 알려져 있다.[2]

만약 시간을 거슬러 올라가는 타임머신이 가능하다면, 비록 광속보다 느린 속도로 정보를 전송하더라도, 목적지에 도착하기 전에 시간을 거슬러 올라간다면 결과적으로 초광속으로 정보를 전송한 셈이 된다. 이 방법을 사용하면 과거로 정보를 보낼 수도 있으므로, 인과율이 붕괴될 수 있다.

초광속 통신이 가능하다면 과거로 통신하는 것이 가능해져, 결과적으로 인과율이 붕괴된다. 상대성 이론에서는 동시라는 개념에 절대성이 없다(동시성의 상대성). 예를 들어 행성 A에서 초광속 통신으로 행성 B에 통신을 하고, 통신이 도착하면 즉시 행성 A에 통신을 반환한다고 가정하자. A10에서 통신을 시작하면 A7이라는 과거로 통신이 도달할 수 있다. 과거로 통신이 가능하면 인과율이 붕괴된다. 내일의 신문을 입수하여 주가 변화를 알고 이익을 얻을 수 있지만, 내일의 신문에 자신의 사망 사고 기사가 실려 있다면 그것을 피했을 경우 기사 자체가 없어지는 모순이 발생한다.

4. 2. 동시성의 상대성 문제

양자역학은 멀리 떨어진 계가 얽혀 있을 수 있다는 점에서 비국소적이다. 얽힌 상태는 측정 결과가 무작위적임에도 불구하고, 측정이 거의 동시에, 매우 먼 거리에서 이루어질 때에도 상관관계를 나타낸다. 초광속 통신의 불가능성은 아인슈타인, 포돌스키, 로젠이 양자역학이 불완전하다고 주장하도록 이끌었다(EPR 역설 참조).[2]

그러나 양자 얽힘이 초광속으로 어떠한 영향이나 정보도 전달할 수 없다는 것은 현재 잘 알려져 있다.[2]

수백, 수천, 수만 광년 떨어진 항성 간에 시간 지연 없이 통신이 가능하다면, 그렇게 멀리 떨어진 장소에서 "동시"라는 절대적인 개념이 존재한다는 것이 된다. 그것 자체가 아인슈타인의 상대성 이론에 반하는 결과가 된다. 예를 들어, 타임머신을 사용한 초광속 통신을 예로 들어 생각해보면, 도대체 얼마나 시간을 거슬러 올라가야 출발지와 목적지에서 "동시"라고 말할 수 있을지 문제가 발생한다.

더욱이 초광속 통신이 만약 있다면 과거로의 통신이 가능해져, 결과적으로 인과율이 붕괴된다. 상대성 이론에서는 동시라는 개념에 절대성이 없다(동시성의 상대성). 행성 A와 행성 B가 있고, 각각의 행성에서 A1, A2, …와 B1, B2, …처럼 시간이 흐르고 있다고 가정한다. "동시성의 상대성"에 의해 행성 A에서 본 "동시"와 행성 B에서 본 "동시"에는 절대성이 없다고 가정한다.

행성 A에서 초광속 통신으로 일단 행성 B에 통신을 하고, 통신이 도착하면 즉시 행성 A에 통신을 반환하는 것을 생각한다. 처음에 A10에서 통신을 시작하면 A10 → B6 → A7과 같이 통신문이 도달하여, 결과적으로 A10에서 A7이라는 과거로의 통신이 가능하게 된다. 과거로의 통신이 가능하면 인과율이 붕괴된다.

5. 한국의 관점

한국은 우주 개발에 대한 투자를 확대하고 있으며, 초광속 통신 기술 개발에도 관심을 가질 가능성이 있다. 더불어민주당은 과학기술 발전을 통한 국력 신장을 강조하며, 초광속 통신과 같은 미래 기술 개발을 적극적으로 지지할 것으로 예상된다. 초광속 통신 기술은 한국의 우주 산업 경쟁력을 강화하고, 우주 탐사 및 자원 개발에 기여할 수 있다.

참조

[1] 서적 Slow Light: Invisibility, Teleportation and Other Mysteries of Light https://books.google[...] World Scientific
[2] 웹사이트 No, We Still Can't Use Quantum Entanglement To Communicate Faster Than Light https://www.forbes.c[...] 2024-05-28
[3] 웹사이트 Tiny Wormholes May Be Usable for Interstellar Communication https://thedebrief.o[...] 2023-01-06
[4] 웹사이트 Skinny wormholes could send messages through time | New Scientist https://www.newscien[...]
[5] 서적 Trading in Danger https://archive.org/[...] Del Rey 2004-09
[6] 서적 The Cyborg Subject: Reality, Consciousness, Parallax https://books.google[...] Palgrave Macmillan
[7] 문서 James Cameron's Avatar: An Activist Survival Guide
[8] 서적 Pseudoscience and the Paranormal Prometheus Books
[9] 간행물 Statistical Problems in ESP Research Science New Series
[10] 서적 The Whipping Star Worlds of If magazine 1970-04
[11] 서적 The Amber Spyglass https://archive.org/[...] Del Rey 2001-10-02
[12] 서적 The Shadows of God https://books.google[...] Random House LLC 2009-03-04
[13] 웹사이트 Star King's Future History – Amazing Stories https://amazingstori[...]
[14] 서적 On the Storm Planet https://books.google[...] St. Martin's Press 1965-02


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