Optical time travel: proposal for testing Hawking's Chronology Protection Conjecture in an optical analogue

상자 속의 타임머신

만약 당신이 과거의 자신에게 메시지를 보내서, 나쁜 성적이나 커피를 쏟은 일에 대해 경고할 수 있다고 상상해 보십시오. 영화나 허구의 세계에서 이것은 모험 이야기의 단골 소재입니다. 하지만 실제 과학의 세계에서 시간 여행은 두 개의 거대한 법칙책이 서로 충돌하는 매우 기묘한 물리적 구석에 자리 잡고 있습니다. 한쪽에는 중력과 시공간의 구조를 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 있습니다. 놀랍게도 이 이론은 공간을 적절하게 뒤틀 수 있다면, 당신이 이전의 순간으로 돌아가는 루프를 만들 수 있다고 말합니다. 그것은 마치 도로가 스스로 휘어져서 이미 방문했던 장소로 다시 운전해 갈 수 있게 만드는 것과 같습니다.

다른 한쪽에는 원자와 빛의 미세한 세계를 다루는 규칙책인 양자 역학이 있습니다. 이 이론은 사물이 항상 있어야 할 곳에 정확히 있지 않다는, 모호함과 불확실성으로 유명합니다. 스티븐 호킹이라는 유명한 물리학자는 "연대기 보호 가설(Chronology Protection Conjecture)"이라는 멋진 이름을 붙인 개념을 제안했는데, 이는 자연이 아마도 안전 스위치를 가지고 있을 것이라는 뜻입니다. 그는 비록 지도상에는 그 도로가 존재할지라도(상대성 이론), 양자 세계가 그 길을 달리려고 하는 순간 거대한 교통 체증이나 폭발을 일으켜, 우주를 안전하게 지키기 위해 시간 여행을 사실상 금지할 것이라고 추측했습니다. 큰 질문은 이것입니다: 우주는 시간 여행을 엄격히 금지하고 있는 것일까요, 아니면 그저 매우, 매우 어려운 것일까요? 데이비드 버뮤데즈와 울프 레온하르트는 우주선이 아니라 빛을 이용한 매우 영리한 실험을 통해 이 문제를 해결하기로 했습니다.

뒤로 도약하는 빛의 펄스

이 논문에서 저자들은 광섬유와 빛만으로 만들어진 "타임머신"을 사용하여 호킹의 아이디어를 테스트하는 방법을 제안합니다. 사람이 기계 안으로 들어가는 대신, 그들은 광섬섬유 케이블 루프를 통과하는 빛의 펄스를 상상합니다. 이 "타임머신"이 작동하는 방식은 다음과 같습니다.

직선 고속도로(광섬유 케이블)에 스스로 루프를 형성하는 옆길이 있다고 상상해 보십시오. 고속도로와 루프가 만나는 지점에는 파라메트릭 증폭기(parametric amplifier)라고 불리는 특별한 장치가 있습니다. 이 장치는 마법 같은 교통 경찰 역할을 합니다. 빛의 펄스가 교차점에 도착하면, 증폭기는 루프 안에 "쌍둥이" 펄스를 생성할 수 있습니다. 루프가 설정된 방식 덕분에, 이 쌍둥이 펄스는 메인 펄스에 비해 시간적으로 뒤로 이동합니다.

이것이 완벽하게 작동하려면, 뒤로 이동하는 펄스가 원래의 펄스가 도착하기도 전에 교차점에 도착해야 합니다. 그들이 만나면, 마치 물 위의 구멍 속으로 파도가 부딪히는 것처럼 서로를 완벽하게 상쇄시켜야 합니다. 결과는 어떨까요? 원래의 펄스는 현재에서 사라졌다가 과거에 나타나는 것처럼 보입니다. 즉, 새로운 펄스가 과거로부터 온 것처럼 미래에 나타나는 것입니다. 저자들은 케이블의 자연적인 빛 손실을 극복할 만큼 충분한 "이득(gain, 증폭)"을 확보한다면, 이 시간 여행 효과가 수학적으로 가능하다는 것을 보여줍니다. 실제로 그들은 10 정도의 적당한 이득만 있으면 빛의 펄스가 장치에 들어가기도 전에 떠나게 되어, 시간을 거슬러 올라가는 것을 흉내 낼 수 있다고 계산했습니다.

양자의 함정: 왜 그렇게 간단하지 않은가

하지만 우리가 "고전적"인 빛(완벽하고 매끄러운 파동)에서 "양자적"인 빛(광자로 이루어진 실제 빛)으로 전환할 때, 논문은 곧 주요한 난관에 봉착합니다. 양자 세계에서는 아무것도 완벽하게 매끄럽지 않습니다. 모든 것은 꿈틀거리고 요동칩니다. 이것은 당신이 입자에 대해 한 번에 모든 것을 알 수 없다는 하이젠베르크의 불확정성 원리 때문입니다.

저자들은 타임머신이 작동하려면 "뒤로 가는" 펄스가 "앞으로 가는" 펄스의 완벽하고 정확한 복사본이어야 하며, 그래야만 서로를 상쇄할 수 있다고 설명합니다. 하지만 양자 세계에서는 그 미세하고 피할 수 없는 요동들 때문에 완벽한 복사본을 결코 만들 수 없습니다. 공간의 진공 자체도 이러한 미세한 변동으로 가득 차 있습니다. 증폭기가 신호를 높여 시간 여행을 일으키려 할 때, 그것은 신호만을 높이는 것이 아니라 진공 노이즈까지 함께 높입니다.

이것은 마치 붐비고 시끄러운 방에서 당신의 과거 자신에게 비밀을 속삭이려는 것과 같습니다. 만약 방이 조용하다면(고전 물리학), 당신은 그것을 할 수 있습니다. 하지만 양자 세계에서는 방이 정전기(static)로 가득 차 있습니다. 당신의 속삭임을 들리게 하기 위해 더 많이 증폭하려고 할수록, 정전기 소리도 더 커집니다. 저자들은 이 "정전기"가 기하급수적으로 증가한다는 것을 발견했습니다. 빛이 시간을 거슬러 가려고 할 때쯤이면, 노이즈가 너무 커져서 메시지를 묻어버립니다. "타임머신"은 명확한 신호를 보내는 대신 무작위 노이즈로 비명을 지르는 레이저로 변해버립니다.

이것이 시간 여행에 의미하는 바

그렇다면 최종 결론은 무엇일까요? 이 논문은 시간 여행이라는 아이디어 자체가 방정식상으로 엄격히 불가능한 것은 아니지만, 그 현실은 양자 노이즈에 의해 가로막혀 있다는 점을 시사합니다.

1. 고전 vs 양자: 만약 빛이 완벽한 고전적 파동이라면, 시간 여행은 작동할 것입니다. 당신은 펄스를 보낼 수 있고, 그것은 깨끗하게 도착할 것입니다. 하지만 실제 빛은 양자적이며, 불확정성 원리는 "뒤로 가는" 펄스가 "앞으로 가는" 펄스와 결코 완벽하게 동기화될 수 없음을 보장합니다.
2. 레이저 효과: 저자들은 시간 여행에 필요한 조건(이득이 손실보다 커야 함)이 레이저가 작동하기 시작하는 데 필요한 조건과 정확히 일치한다는 점을 지적합니다. 이는 타임머신이 필연적으로 진공 변동을 증폭시키는 레이저처럼 작동할 것임을 의미합니다. 이 불안정성은 시간 여행을 막으려 했던 호킹이 예측했던 "폭발"의 광학적 버전입니다.
3. 불완전한 시간 여행: 이 논문은 시간 여행이 영원히 100% 불가능하다고 말하는 것이 아닙니다. 만약 기계를 아주 짧은 시간 동안만 가동한다면, 노이즈를 감당할 수 있을지도 모른다고 제안합니다. 신호는 존재하지만 정전기에 덮여 있는 "흐릿한" 시간 여행 경험을 할 수도 있습니다. 그것은 완벽한 과거 여행은 아니지만, 노이즈가 섞인 불완전한 여행입니다.

저자들은 자신들이 제안한 실험이 실행 가능하며, 이러한 한계를 테스트하기 위해 실험실에서 구축될 수 있다고 결론짓습니다. 그들은 데로리안(시간 여행 자동차)을 만들었다고 주장하는 것이 아니라, 자연이 어떻게 시간 여행에 브레이크를 거는지 볼 수 있는 방법을 제시하고 있습니다. 우주는 당신이 과거를 엿보는 것은 허용하지만, 당신이 아무것도 바꿀 수 없도록 이미지를 흐릿하게 만드는 것을 고집하는 듯합니다. 호킹이 유명한 농담으로 말했듯, 만약 시간 여행이 쉬웠다면 우리는 미래에서 온 관광객들에게 침공당했을 것입니다. 우리가 그렇지 않다는 사실은 우주의 "노이즈"가 제 역할을 아주 잘 수행하고 있음을 시사합니다.