초광속
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1. 개요
초광속은 빛의 속도보다 빠른 속도를 의미하며, 과학적, 이론적, 그리고 SF적인 관점에서 논의된다. 특수 상대성 이론은 빛보다 빠른 속도로 정보 전달이 불가능하다고 명시하지만, 일반 상대성 이론은 시공간의 왜곡을 통해 빛보다 빠르게 보이는 현상을 허용한다. 우주의 팽창, 겉보기 초광속 운동, 그리고 양자역학적 현상 등에서 초광속과 관련된 사례가 관찰되기도 한다. SF에서는 워프 드라이브, 웜홀, 하이퍼스페이스 등 다양한 방식으로 초광속 항법과 통신을 묘사하며, 관련 연구는 NASA, 리미트리스 우주 연구소 등에서 진행되고 있다.
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| 초광속 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 가설 |
| 분야 | 물리학 |
| 상세 정보 | |
| 관련 개념 | 상대성 이론 양자역학 타키온 웜홀 앨큐비에레 드라이브 양자 얽힘 양자 터널링 정보 역설 |
| 참고 | |
| 관련 항목 | 인과율 시간 여행 |
2. 과학적 관점
이 문서에서 "초광속"은 진공에서 빛의 속도와 동일한 상수인 ''c''보다 빠르다는 것을 의미하며, 이는 299,792,458 m/s (미터의 정의에 따름)[3] 또는 초당 약 약 299791.71km에 해당한다.
몇몇 현상들은 빛보다 빠른 것처럼 보이지만, 실제로는 특수 상대성 이론을 위반하지 않으며 인과 관계에 문제를 일으키지 않는다.
- 어떤 과정은 ''c''보다 빠르게 전파되지만 정보를 전달할 수 없다.
- 어떤 물질에서는 빛이 ''c/n'' (여기서 ''n''은 굴절률)으로 이동하며, 다른 입자는 ''c/n''보다 빠르게 이동할 수 있지만 여전히 ''c''보다 느리다. 이는 체렌코프 복사를 유발한다.
다음은 빛보다 빠른 것처럼 보이지만, 실제로는 특수 상대성 이론을 위반하지 않는 현상들의 예시이다.
- 활동 은하, 블레이자, 퀘이사, 마이크로퀘이사에서 관측되는 겉보기 초광속 운동은 광학 착시 현상이다.[22][23]
- 양자역학의 양자 얽힘과 같은 특정 현상은 겉보기에는 빛보다 빠른 정보 전달을 허용하는 것처럼 보일 수 있지만, 비(非)전달 정리에 따르면 실제 정보 전달은 불가능하다.[3]
- 불확정성 원리에 따르면 개별 광자는 진공에서도 ''c''보다 약간 빠른 속도로 짧은 거리를 이동할 수 있지만, 2011년 실험에서 단일 광자는 ''c''보다 빠르게 이동할 수 없음이 밝혀졌다.[24][25]
이 외에도 하트만 효과, 카시미르 효과, EPR 역설, 지연 선택 양자 지우개 등의 현상들이 초광속 현상과 연관되어 논의되지만, 이들 역시 정보를 빛보다 빠르게 전달하지는 않는다.
2011년 CERN에서 빛보다 빠른 중성미자가 검출되었다는 발표가 있었으나,[74] 2012년 실험 오류로 밝혀졌다.[70]
타키온은 허수의 질량을 가져서 광속을 넘는다는 가설이 있는 가상의 기본 입자이지만, 아직 발견되지 않았다.[80][81]
2. 1. 상대성 이론과 초광속
특수 상대성 이론은 진공에서의 빛의 속도가 관성 좌표계에서 불변이라고 가정한다. 즉, 일정한 속도로 움직이는 모든 기준 틀에서 동일하다는 것이다. 방정식은 빛의 속도에 대한 특정 값을 명시하지 않으며, 이는 고정된 길이 단위에 대해 실험적으로 결정된 양이다. 1983년 이후, SI의 길이 단위(미터)는 빛의 속도를 사용하여 정의되었다.[3]특수 상대성 이론에 따르면, 물체의 상대론적 질량은 속도가 증가함에 따라 증가하며, 광속에서 무한대가 된다. 이 때문에 단순하게 가속을 계속하는 것만으로는 광속에 도달하거나, 광속을 초과하는 것이 불가능하다. 0이 아닌 정지 질량을 가진 물체를 ''c''로 가속하려면 유한한 가속도로 무한한 시간 또는 유한한 시간 동안 무한한 가속도가 필요하며, 어떤 방법으로든 이러한 가속에는 무한한 에너지가 필요하다.[38][39]
일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론 이후 중력과 같은 개념을 포함하기 위해 개발되었다. 일반 상대성 이론은 어떤 물체도 어떤 동시 관찰자의 관성 좌표계에서 빛의 속도로 가속할 수 없다는 원리를 유지한다. 그러나 일반 상대성 이론은 시공간의 왜곡을 허용하며, 이를 통해 멀리 떨어진 관찰자의 관점에서 물체가 빛보다 빠르게 이동할 수 있다. 이러한 왜곡 중 하나는 알쿠비에레 드라이브인데, 이는 물체를 함께 운반하는 시공간의 파동을 생성하는 것으로 생각할 수 있다. 또 다른 가능한 시스템은 마치 지름길처럼 두 개의 먼 위치를 연결하는 웜홀이다. 두 왜곡 모두 시공간의 매우 국소적인 영역에서 매우 강한 곡률을 생성해야 하며, 중력장은 거대할 것이다. 불안정한 성질에 대응하고, 왜곡이 자체적인 '무게'에 따라 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 가상적인 이국적 물질 또는 음의 에너지를 도입해야 할 것이다.[54]
일반 상대성 이론은 또한 빛보다 빠른 이동의 어떤 수단도 시간 여행에 사용될 수 있다는 것을 인정한다. 이는 인과율과 관련된 문제를 제기한다. 많은 물리학자들은 위에서 언급한 현상이 불가능하며, 미래의 중력 이론이 이를 금지할 것이라고 믿는다. 한 이론에 따르면, 안정적인 웜홀은 가능하지만, 웜홀 네트워크를 사용하여 인과율을 위반하려는 시도는 웜홀의 붕괴를 초래할 것이라고 한다.[40]
2. 2. 초광속 현상의 예
이 문서에서 "초광속"은 진공에서 빛의 속도와 동일한 상수인 ''c''보다 빠르다는 것을 의미하며, 이는 299792458m/s (미터의 정의에 따름)[3] 또는 초당 약 약 299791.71km에 해당한다.다음은 빛보다 빠른 것처럼 보이지만, 실제로는 특수 상대성 이론을 위반하지 않는 현상들의 예시이다.
- 지구에서 관측할 때, 하늘에 있는 물체들은 하루에 지구 주위를 한 바퀴 돈다. 태양계 밖에서 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리는 약 4.5 광년 떨어져 있는데,[4] 이 관점에서 프록시마 센타우리는 빛의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 움직이는 것처럼 보일 수 있다.[4]
- 정지 궤도에서 혜성과 같은 물체는 지구와의 거리가 변하면서 아광속에서 초광속으로, 또는 그 반대로 속도가 변하는 것처럼 보일 수 있다. 혜성은 1000AU 이상 멀리 떨어지는 궤도를 가질 수 있는데,[5] 이 거리에서 혜성은 비관성 좌표계에서 초광속으로 보이는 움직임을 나타낸다.
겉보기 초광속 운동은 여러 활동 은하, 블레이자, 퀘이사, 그리고 마이크로퀘이사에서 관측된다. 이 현상은 마틴 리스에 의해 예측되었으며,[22] 물체가 관측자 방향으로 움직일 때 발생하는 광학 착시로 설명된다.[23] 실제로는 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이지만, 계산상의 오류로 인해 초광속으로 보이는 것이다.
2. 2. 1. 우주 팽창
대폭발 이후 10-43 초에서 10-36 초 사이, 대통일 시대의 우주는 빛보다 약 1050배 빠른 속도로 팽창하였다. 질량과 정보전달능력이 없었으므로, 상대성 이론에 위배되지 않는다.허블의 법칙에 따르면, 우주의 팽창은 멀리 떨어진 은하가 빛의 속도보다 더 빠르게 우리로부터 멀어지게 한다. 그러나 허블의 법칙과 관련된 후퇴 속도는 고유 거리가 우주론적 시간 간격당 증가하는 비율로 정의되며, 상대론적 의미에서의 속도가 아니다. 더욱이 일반 상대성 이론에서 속도는 국소적인 개념이며, 우주론적으로 멀리 떨어진 물체의 상대 속도에 대한 유일한 정의조차 존재하지 않는다.[17] 빛보다 빠른 우주론적 후퇴 속도는 전적으로 좌표 조건의 효과이다.
적색 편이가 1.4 이상인 많은 은하들이 망원경으로 관측된다. 이들은 모두 빛의 속도보다 더 큰 우주론적 후퇴 속도를 가지고 있다. 허블 매개변수가 시간이 지남에 따라 감소하기 때문에, 빛보다 빠르게 우리로부터 멀어지는 은하가 결국에는 우리에게 도달하는 신호를 보낼 수 있는 경우가 실제로 존재한다.[18][19][20]
그러나 우주의 가속 팽창 때문에, 대부분의 은하는 결국 일종의 우주론적 사건의 지평선을 넘게 될 것으로 예측되며, 그 지점 이후에 은하가 방출하는 빛은 빛이 우리를 향한 "고유 속도"가 우리로부터 멀어지는 팽창 속도를 초과하는 지점에 도달하지 못하므로, 무한한 미래의 어느 시점에도 우리에게 도달할 수 없을 것이다(이 두 가지 속도 개념은 공변 거리와 고유 거리#고유 거리의 사용에서 논의된다). 이 우주론적 사건의 지평선까지의 현재 거리는 약 이며, 이는 현재 발생한 사건의 신호가 사건이 미만 떨어진 곳에서 발생했다면 미래에 결국 우리에게 도달할 수 있지만, 사건이 이상 떨어져 있다면 신호는 절대 우리에게 도달하지 못한다는 것을 의미한다.[19]
2. 2. 2. 빛의 메아리
외뿔소자리 V838의 가스구름은 광속보다 빠르게 퍼지고 있는 것으로 밝혀졌다. 허블 우주 망원경은 외뿔소자리 V838이 만든 전례가 없는 현상인 빛의 메아리가 퍼지는 모습을 기록으로 남겼다.[6] 이 메아리가 중심부 항성과 직접 관련이 있는지는 분명하지 않다. 만약 관련이 있다면 이는 별이 파국을 맞는다는 가정 하에 세워진 여러 이론들과는 달리, 더 이른 시기에 일어난 폭발로 생긴 결과일 것이다.만약 레이저 빔이 멀리 떨어진 물체를 가로질러 훑는다면, 레이저 빛의 점은 그 물체를 가로질러 ''c''보다 빠른 속도로 움직이는 것처럼 보일 수 있다.[6] 유사하게, 멀리 떨어진 물체에 투사된 그림자는 그 물체를 ''c''보다 빠르게 가로지르는 것처럼 보인다.[6] 어느 경우에도 빛이 광원에서 물체까지 ''c''보다 빠르게 이동하지 않으며, 어떤 정보도 빛보다 빠르게 이동하지 않는다. 이러한 예시에서 어떤 물체도 움직이지 않는다. 비교를 위해, 정원 호스에서 물이 좌우로 흔들릴 때 뿜어져 나오는 것을 생각해 보자. 물은 호스의 방향을 즉시 따르지 않는다.[6][7][8]
2. 2. 3. 초광속 운동
퀘이사와 같은 일부 천체에서 관측되는 초광속 운동은 실제로는 빛보다 빠른 속도로 움직이는 것이 아니라, 광학 착시 현상이다. 마틴 리스는 이러한 현상이 관측되기 전에 예측했는데, 천체가 관측자를 향해 특정한 각도로 움직일 때 발생한다.[22] 천체가 정지해 있다고 가정하고 속도를 계산하기 때문에, 실제로는 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 천체가 초광속으로 움직이는 것처럼 보이게 된다.[23] 이는 특수 상대성 이론에 위배되지 않는다. 보정된 계산에 따르면, 이러한 천체들은 빛의 속도에 가까운 속도로 움직인다.2. 2. 4. 굴절률과 위상 속도
전자기파가 매질을 통과할 때의 위상 속도는 진공에서의 빛의 속도인 ''c''를 초과할 수 있다. 예를 들어, 이는 대부분의 유리의 X선 주파수에서 발생한다.[9] 그러나 파동의 위상 속도는 해당 주파수에서의 이론적인 단일 주파수(순수 단색광) 파동 성분의 전파 속도에 해당한다. 그러한 파동 성분은 무한한 범위와 일정한 진폭을 가져야 하며(그렇지 않으면 진정으로 단색광이 아니다), 따라서 어떠한 정보도 전달할 수 없다.[10] 따라서 ''c'' 이상의 위상 속도는 ''c'' 이상의 속도로 신호가 전파된다는 것을 의미하지 않는다.[11]일반적으로 물질의 굴절률은 1보다 크지만, 빛의 위상속도는 정보를 전달하지 않아 광속보다 빨라도 특수 상대성 이론에 위배되지 않기 때문에 굴절률이 1보다 작은 값을 지니는 것도 가능하다. 굴절률이 1보다 작은 매질로는 금속이나 플라즈마가 있다.
2. 2. 5. 양자역학적 현상
양자역학의 특정 현상들은 겉보기에는 빛보다 빠른 정보 전달을 허용하는 것처럼 보일 수 있다. 예를 들어 양자 얽힘이 있다. 하지만, 비(非)전달 정리에 따르면 이러한 현상은 실제적인 정보 전달을 허용하지 않는다.[3] 즉, 서로 다른 위치에 있는 두 관찰자가 동일한 시스템을 동시에 볼 수 있게 할 뿐이며, 어느 쪽이 무엇을 보는지 제어할 수 있는 방법은 없다. 파동함수 붕괴는 양자 데코히어런스의 부수 현상으로 볼 수 있으며, 이는 결국 시스템의 파동함수와 ''전체'' 환경의 기본적인 국소적 시간 진화의 효과에 불과하다. 기본적인 행동은 국소적 인과성을 위반하거나 초광속 통신을 허용하지 않으므로, 파동함수 붕괴의 추가적인 효과 또한, 실제적이든 겉보기적이든, 그러하지 않다.불확정성 원리는 개별 광자가 진공에서도 ''c''보다 약간 빠른 (또는 느린) 속도로 짧은 거리를 이동할 수 있음을 의미한다. 이 가능성은 입자 상호 작용에 대한 파인만 다이어그램을 열거할 때 고려해야 한다.[24] 그러나 2011년에 단일 광자가 ''c''보다 빠르게 이동할 수 없다는 것이 밝혀졌다.[25]
- '''하트만 효과''': 하트만 효과는 터널링 시간이 큰 장벽에 대해 일정해지는 장벽을 통한 터널링 효과이다.[30][31] 예를 들어, 두 개의 프리즘 사이의 틈새가 이 효과를 나타낼 수 있다. 프리즘이 접촉하면 빛이 곧바로 통과하지만, 틈새가 있으면 빛이 굴절된다. 광자가 굴절된 경로를 따르는 대신 틈새를 가로질러 터널링할 비영 확률이 존재한다. 그러나 하트만 효과는 터널링 시간이 "소멸파는 전파되지 않으므로 속도와 연관될 수 없다"는 이유로, 실제로 신호를 ''c''보다 빠르게 전송하여 상대성 이론을 위반하는 데 사용될 수 없다고 주장되어 왔다.[32]
- '''카시미르 효과''': 카시미르-폴더 힘은 물체 사이의 공간에서 진공 에너지의 공명으로 인해 별도의 물체 사이에 가해지는 물리적인 힘이다. 이것은 효과의 강도를 계산하는 가능한 한 가지 방법의 수학적 형태 때문에 가상 입자가 물체와 상호 작용하는 것으로 설명되기도 한다. 힘의 세기는 거리에 따라 빠르게 감소하기 때문에 물체 사이의 거리가 극도로 작을 때만 측정할 수 있다.
- '''EPR 역설''': 알베르트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠이 고안한 유명한 사고 실험으로, 1981년과 1982년 알랭 아스페에 의해 아스페 실험에서 처음으로 실험적으로 구현되었다. 이 실험에서, 양자 얽힘 상태의 두 측정값은 측정 지점이 소스 및 서로 멀리 떨어져 있어도 상관관계가 있다. 그러나, 이 방법으로는 어떠한 정보도 전송될 수 없다. 1997년 니콜라 기신이 수행한 실험은 10km 이상 떨어진 입자들 사이의 양자 상관 관계를 입증했다.[33]
- '''지연 선택 양자 지우개''': 이중 슬릿 실험을 통과한 광자의 간섭 여부가 첫 번째 광자와 얽혀 있는 두 번째 광자의 관찰 조건에 따라 달라지는 EPR 역설의 변형이다. 이 실험의 특징은 두 번째 광자의 관찰이 첫 번째 광자의 관찰보다 나중에 이루어질 수 있다는 것이다.[35] 하지만 간섭 패턴은 모든 쌍의 두 구성원의 측정을 상관시켜야만 볼 수 있으며, 따라서 두 광자 모두 측정될 때까지 관찰할 수 없다.
2. 3. 초광속 중성미자 실험 오류
2011년 9월 유럽 입자 물리 연구소(CERN)는 빛보다 빠른 속력의 중성미자가 검출되었다고 발표하였다. 이 사건으로 인해 현대물리의 기초가 되는 상대성 이론이 의심되는 등 물리학계에 큰 파장이 일었다. 특수 상대성 이론은 '광속의 불변성'을 기본가정으로 하고, 질량이 있는 물체는 빛의 속도에 다다를 수 없다는 것을 유도하기 때문이다. 하지만 2012년 9월 22일 사이언스지는 이러한 실험결과가 나온 것은 'GPS 수신기의 광섬유 케이블 연결 오류로 인한 실험 오차'라고 설명했다.[70]2007년 MINOS 연구진은 3 GeV 중성미자의 비행 시간을 측정하여 광속보다 1.8 시그마 유의미하게 빠른 속도를 보고했다. 하지만, 해당 측정 결과는 통계적으로 중성미자가 광속으로 이동하는 것과 일치하는 것으로 간주되었다.[71] 2012년 프로젝트의 검출기가 업그레이드된 후, MINOS는 초기 결과를 수정하여 광속과 일치하는 결과를 얻었다. 추가적인 측정이 진행될 예정이다.[72]
2011년 9월 22일, OPERA 협력 연구진의 사전 출판물은 CERN에서 스위스 제네바 근처에서 이탈리아의 그란 사소 국립 연구소까지 730km를 이동한 17~28 GeV 뮤온 중성미자의 검출을 나타냈으며, 이는 광속보다 약 40,000분의 1만큼 더 빠르게 이동한 것으로, 6.0-시그마 유의성을 나타냈다.[74] 2011년 11월 17일, OPERA 과학자들의 두 번째 후속 실험에서 초기 결과를 확인했다.[75][76] 하지만 과학자들은 이 실험의 결과에 대해 회의적이었으며, 그 유의성에 대해 논쟁이 있었다.[77] 2012년 3월, ICARUS 협력 연구진은 그들의 장비로 OPERA 결과를 재현하는 데 실패했고, CERN에서 그란 사소 국립 연구소까지 중성미자 이동 시간을 광속과 구별할 수 없다고 밝혔다.[78] 이후 OPERA 연구팀은 그들의 장비 설정에 두 가지 결함이 있었으며, 이로 인해 원래의 신뢰 구간을 훨씬 벗어나는 오류가 발생했다고 보고했다. 부적절하게 부착된 광섬유 케이블은 광속보다 빠른 측정값을 유발했고, 클록 발진기는 너무 빠르게 작동했다.[79]
2. 4. 타키온
타키온은 허수의 질량을 가져서 광속을 넘는다는 가설이 있는 가상의 기본 입자이다. 그러나 타키온은 아직 발견되지 않았다.[80][81]특수 상대성 이론에 따르면, 일반적인 물체를 빛의 속도로 가속하거나, 질량이 있는 물체가 빛의 속도로 움직이는 것은 불가능하다. 그러나 물체가 항상 빛보다 빠르게 움직이는 것은 가능할 수도 있는데, 이러한 속성을 가진 가설적인 입자를 타키온 또는 타키온 입자라고 부른다. 타키온장을 양자화하려는 시도는 초광속 입자를 생성하는 데 실패했으며, 대신 타키온의 존재가 불안정성을 초래한다는 것을 보여주었다.
다양한 이론가들은 중성미자가 타키온과 같은 성질을 가질 수 있다고 제안했지만,[82][83][84][85] 다른 사람들은 그 가능성에 대해 이의를 제기했다.[86]
3. 초광속 항법의 가능성 (이론적)
일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론에 중력 개념을 포함하여 확장한 이론이다. 일반 상대성 이론에서도 어떤 물체도 빛의 속도로 가속할 수 없다는 원칙은 유지되지만, 시공간 왜곡을 허용하여 멀리 떨어진 관찰자가 볼 때 물체가 빛보다 빠르게 이동하는 것처럼 보이는 현상을 가능하게 한다.
하지만 이러한 방식의 초광속 이동은 시간 여행을 가능하게 하여 인과율 문제를 야기한다. 많은 물리학자들은 이러한 현상이 실제로 불가능하며, 미래의 중력 이론이 이를 금지할 것이라고 예측한다.
3. 1. 웜홀
일반 상대성 이론은 시공간의 왜곡을 허용하여, 멀리 떨어진 관찰자의 관점에서 물체가 빛보다 빠르게 이동하는 것을 가능하게 한다.[87] 이러한 왜곡 중 하나는 웜홀인데, 이는 두 개의 먼 위치를 지름길처럼 연결하는 통로와 같다.웜홀을 통한 초광속 이동은 시공간의 매우 국소적인 영역에 매우 강한 곡률을 생성해야 하며, 이로 인해 중력장이 거대해진다. 또한 웜홀의 불안정한 성질에 대응하고 자체적인 '무게'에 따라 붕괴되는 것을 방지하기 위해 가상적인 이국물질 또는 음의 에너지를 도입해야 한다.
일반 상대성 이론은 빛보다 빠른 이동 수단이 시간 여행에도 사용될 수 있음을 인정하며, 이는 인과율 문제를 제기한다. 많은 물리학자들은 웜홀을 통한 초광속 이동이 불가능하며, 미래의 중력 이론이 이를 금지할 것이라고 믿는다. 한 이론에 따르면 안정적인 웜홀은 가능하지만, 웜홀 네트워크를 사용하여 인과율을 위반하려는 시도는 웜홀의 붕괴를 초래할 수 있다고 한다.
끈 이론에서 에릭 지. 기몬(Eric G. Gimon)과 페트르 호르바(Petr Hořava)는[87] 초대칭 5차원 괴델 우주에서 일반 상대성 이론에 대한 양자 보정이 인과율을 위반하는 닫힌 시간꼴 곡선이 있는 시공간 영역을 효과적으로 차단한다고 주장했다.
3. 2. 알쿠비에레 드라이브
미겔 알쿠비에레가 제안한 알쿠비에레 드라이브는 아인슈타인 방정식의 해를 기반으로 한 공상적인 아이디어이다. 음의 질량과 같은 것이 존재한다면 워프 또는 '''초광속 항법'''이 가능해진다는 것이다. 알쿠비에레 드라이브는 우주선이 "워프 버블"에 갇히는 형태로, 버블 앞쪽의 공간은 빠르게 수축하고 뒤쪽의 공간은 빠르게 팽창한다. 따라서 버블 외부에서 보는 관찰자에게는 광선보다 훨씬 빠르게 목적지에 도달할 수 있지만, 버블 내부의 물체는 국소적으로 빛보다 빠르게 이동하지 않는다.[54]알쿠비에레 드라이브는 시공간의 왜곡을 통해 멀리 떨어진 관찰자의 관점에서 물체가 빛보다 빠르게 이동할 수 있도록 하는 일반 상대성 이론의 한 예시이다. 그러나 이 드라이브는 시공간의 매우 국소적인 영역에서 매우 강한 곡률을 생성해야 하며, 그 중력장은 거대할 것이다. 또한, 불안정한 성질에 대응하고 왜곡이 자체적인 '무게'에 따라 붕괴되는 것을 방지하기 위해 가상적인 이국적 물질 또는 음의 에너지를 필요로 한다.[55]
알쿠비에레 드라이브는 발표 이후 물리학계에서 여전히 논의가 진행 중인 주제이며, 이를 기반으로 한 논문이 자주 발표되고 있다.
3. 3. 기타 이론들
특수 상대성 이론에 대한 강력한 경험적 지지 때문에, 이에 대한 수정은 필연적으로 매우 미묘하고 측정하기 어렵다. 가장 잘 알려진 시도는 이중 특수 상대성 이론으로, 이는 플랑크 길이도 모든 기준틀에서 동일하며, 조반니 아멜리노-카멜리아와 주앙 마게이조의 연구와 관련이 있다고 가정한다.[51][52]우주의 결합된 질량에 의해 관성이 생성된다고 주장하는 이론(예: 마흐의 원리)이 있으며, 이는 우주의 정지 틀이 자연 법칙의 일반적인 측정에서 "선호"될 수 있음을 의미한다. 만약 이것이 확인된다면, 이는 특수 상대성 이론이 더 일반적인 이론에 대한 근사치임을 의미하지만, 관련 비교가 (정의상) 관측 가능한 우주 밖에 있을 것이므로, 이 가설을 테스트하기 위한 실험을 상상하기(구축하기는커녕) 어렵다. 이러한 어려움에도 불구하고, 그러한 실험들이 제안되었다.[53]
로렌츠 대칭 위반 가능성은 지난 20년 동안 진지하게 고려되어 왔으며, 특히 이 가능한 위반을 설명하는 현실적인 유효장 이론, 소위 표준 모형 확장이 개발된 이후에 더욱 그렇다.[56][57][58] 이 일반적인 프레임워크는 초고 에너지 우주선 실험[59] 및 중력, 전자, 양성자, 중성자, 중성미자, 중간자 및 광자에서 수행되는 광범위한 실험을 가능하게 했다.[60] 회전 및 부스트 불변성의 파괴는 이론 내에서 방향 의존성을 야기할 뿐만 아니라 로렌츠 위반 중성미자 진동 및 서로 다른 입자 종의 분산 관계에 대한 수정 등과 같은 새로운 효과를 도입하여 입자가 자연스럽게 빛보다 더 빨리 움직일 수 있게 한다.
깨진 로렌츠 대칭의 일부 모델에서는 대칭이 여전히 물리학의 가장 근본적인 법칙에 내장되어 있지만, 빅뱅 직후 로렌츠 불변성의 자발적 대칭 깨짐이[61] 입자가 이 장에 대한 속도에 따라 다르게 행동하게 만드는 "유물 장"을 우주 전체에 남겼을 수 있다고 가정한다.[62] 그러나 로렌츠 대칭이 더 근본적인 방식으로 깨지는 일부 모델도 있다. 로렌츠 대칭이 플랑크 척도 또는 다른 기본 척도에서 기본 대칭이 될 수 없다면, 빛의 속도와 다른 임계 속도를 가진 입자가 물질의 궁극적인 구성 요소가 될 수 있다.
현재 로렌츠 대칭 위반 모델에서는 현상론적 매개변수가 에너지 의존적일 것으로 예상된다. 따라서 널리 알려진 바와 같이,[63][64] 기존의 저에너지 경계는 고에너지 현상에 적용될 수 없다. 그러나 표준 모형 확장을 사용하여 고에너지에서 로렌츠 위반에 대한 많은 탐색이 수행되었다.[60] 로렌츠 대칭 위반은 근본적인 척도에 가까워질수록 더 강해질 것으로 예상된다.
초유동 진공 이론에서 물리적 진공은 본질적으로 비상대론적인 양자 초유동체로 간주되며, 로렌츠 대칭은 자연의 정확한 대칭이 아니라 초유동 배경의 작은 요동에 대해서만 유효한 근사적 설명이다.[65] 이 접근 방식의 틀 내에서 물리적 진공이 양자 보스 액체이며, 그 바닥 상태 파동 함수는 로그 슈뢰딩거 방정식으로 설명된다고 추측하는 이론이 제안되었다. 상대론적 중력 상호작용은 작은 진폭의 집단 여기 모드로 나타나며[66] 상대론적 기본 입자는 낮은 운동량 한계에서 입자 유사 모드로 설명될 수 있다는 것이 밝혀졌다.[67] 중요한 사실은 매우 높은 속도에서 입자 유사 모드의 행동이 상대성 이론과 달라진다는 것이다. 즉, 유한한 에너지에서 광속 한계에 도달할 수 있으며, 또한 움직이는 물체가 허수 질량을 가질 필요 없이 초광속 전파가 가능하다.[68][69]
4. SF에서의 초광속
상대성 이론에 따르면, 물체의 상대론적 질량은 속도가 증가함에 따라 증가하며, 광속에서 무한대가 된다. 이 때문에 단순히 가속을 계속하는 것만으로는 광속에 도달하거나 초과하는 것이 불가능하다. 우주를 종횡무진 누비는 SF, 특히 스페이스 오페라에서는 이러한 제약을 극복하기 위해 다양한 가상의 이론에 기초한 초광속 항법이 등장한다. 하드 SF에서는 최첨단 물리학 가설을 이용하여 상대성 이론의 틀 안에서 블랙홀을 통해 공간 이동을 하거나 초공간에서의 이동을 활용하는 방법을 제시하기도 한다.
SF 설정에서는 종종 초광속 항법 기술을 초광속 통신에도 적용한다. 만약 초광속 통신이 불가능하다면, 통신보다 초광속 우주선으로 이동하는 것이 더 빠르기 때문에 "통신 우주선"을 설정하기도 한다.
초광속 항법은 단순히 빛보다 빠른 속도만을 의미하지 않는다. 예를 들어, 우주에 지름길을 만들어 이동하는 방식은 빛보다 느린 속도로도 목적지에 더 빨리 도착할 수 있게 한다. 이는 빠른 도착이지, 속도 자체가 빠른 것은 아니다. 또한 상대성 이론에 따르면 시계의 진행 속도는 장소에 따라 다르다. 거의 광속으로 비행하는 우주선 내부나 블랙홀의 사상의 지평선 근처에서는 지구에서 관측할 때 시간이 거의 멈춘 것처럼 보인다. 따라서 이러한 시간 지연을 겪는 관측자가 '체감'하는 이동은, 그 관측자에게는 광속이 항상 일정함에도 불구하고, 초광속 항법과 동일한 결과를 가져올 수 있다.
4. 1. 초광속 항법의 종류 (SF)
SF(스페이스 오페라)에서는 다양한 가공 이론에 기초한 초광속 항법이 등장한다. 초기 SF나 스페이스 오페라에서는 상대성 이론을 언급하지 않고 가속을 계속하여 광속을 초월하는 설정이 있었다.- '''바겐홀름 항법''' : 에드워드 E. 스미스의 『우주의 스카이락』 시리즈에서는 상대성 이론을 언급하며, 가속 지속에 의한 초광속이 실현된다는 설정을 통해 이론이 현실에 의해 수정된다고 묘사한다. 같은 작가의 『렌즈맨』 시리즈에서는 "바겐홀름 기관"으로 관성을 무효화하여 초광속을 달성한다.
- '''아공간 항법''' : 『에일리언』 시리즈에서는 "초추진 엔진"이 "초추진 필드"를 펼쳐 물체가 광속을 넘을 수 있게 한다. "초수면 캡슐"도 사용되며, 통신은 초광속 통신이 이루어진다.
- '''하이퍼스페이스 트래블''' : 아이작 아시모프의 『네메시스』에서는 하이퍼스페이스(초공간) 통과 시에도 우주선이 인력의 영향을 받지만, 초광속에서는 척력으로 작용하여 통상 공간 복귀 시 항성 등에 돌입할 염려는 없다고 설명한다.
- '''광속 신장 항법''' : 이시하라 후지오의 『화이트홀 혹성』에서는 "흑백 구멍 돛형 추진 시스템"으로 로렌츠 수축 공식과 치올코프스키의 공식 등을 바탕으로 초광속 운동의 원리를 설명한다. "광세기 패트롤" 시리즈에는 "광속 신장 항법"이 등장한다.
- '''도약 항법(점프 드라이브)''' : 야마모토 히로시의 소설 『사이버 나이트』에서는 극히 짧은 시간(플랑크 초 미만) 동안 물리 법칙이 무효가 되는 점을 이용해 초광속 이동을 하는 "도약 항법(점프 드라이브)"이 사용된다.
- '''Ω 드라이브, 초광속 샤프트, 필립스 구동, 레스토랑 수론 드라이브''' : 가미바야시 쵸헤이의 『적은 해적』 시리즈의 "Ω 드라이브", 타니 코슈의 『끝없는 수색』의 "초광속 샤프트", 제임스 P. 호건의 『창세기 기계』의 "필립스 구동"은 목적 공간에 정보를 보내 존재 확률을 높인 후 실체를 보내는 방식으로 초광속 이동을 구현한다. 더글러스 애덤스의 『은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서』에는 "레스토랑 수론 드라이브"가 등장한다.
- '''웜홀''' : 우주에 존재하는 웜홀을 통과하여 초광속을 달성하는 방식이다. 노지리 료스케의 『클레기온』 시리즈, 아서 C. 클라크의 『2001 스페이스 오디세이』의 스타게이트, 『태양의 송곳니 다그람』의 웜홀 게이트 등이 있다.
그 외에도 다양한 초광속 항법이 SF 작품에 등장한다.
4. 1. 1. 주요 SF 작품의 초광속 항법
스타 트렉 시리즈에서는 워프 엔진을 사용하여 우주선을 아공간장으로 감싸고, 이 필드가 플랑크 시간 이내에 일반 공간에 대해 광속으로 나아가게 하는 워프 항법을 사용한다.[88] 극중에서는 이 아공간 필드를 "워프 필드"라고도 부른다.[88] 아공간 필드 안은 일반 공간이며, 우주선 자체는 일반 공간에 대해 정지해 있다.[88] 아공간 필드 밖에서 보면 우주선은 아공간 필드에 둘러싸여 광속으로 이동하는 것처럼 보이지만, 실제로는 아공간 필드 안의 일반 공간에 대해 정지해 있는 것이다.[88] 이러한 설정을 통해 상대성 이론과의 모순을 피하고 있다.[88]스타워즈 시리즈에서는 하이퍼 드라이브를 사용한다.
GALACTICA/배틀스타 갤럭티카에서는 FTL(Faster Than Light=초광속) 점프를 사용한다.
4. 2. 초광속 통신 (SF)
과학 소설에서 초광속 통신은 흔히 사용되는 플롯 장치이다.[88] 초광속 통신은 상대성 이론에 따르면 시간 여행과 동일시된다.[38] "진정한" 초광속(FTL)을 허용하는 모든 이론은 시간 여행 및 이와 관련된 모든 역설을 해결해야 한다.[40] 그렇지 않으면 로렌츠 불변성이 열역학적 통계적 성질의 대칭(따라서 현재 관찰되지 않는 규모에서 깨지는 대칭)이라고 가정해야 한다.5. 연구 기관
- 미국 항공우주국(NASA) 산하 이글 웍스 연구소(APL)
- 리미트리스 우주 연구소(LSI)
- 애리조나 주립 대학교(ASU) 산하 엔터프라이즈 랩 그룹
- 앨라배마 대학교 헌츠빌(UAH) 산하 추진 연구 센터
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他の有名な超光速航法とは少しばかり毛色が違うもので、本作の肝でもある時間跳躍も可能としている。原理は前述の通り、超空間航行が実質的時間跳躍と等しくなる理論である。
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