인류는 항상 우주 여행을 꿈꿔왔으며, 미지의 세계와 먼 은하를 탐험하고자 하는 열망에 매료되어 있습니다. 우주 여행의 가장 큰 장애물은 방대한 거리입니다. 이 기사에서는 우주에서의 막대한 거리와 다양한 속도의 우주선을 이용해 먼 별과 물체에 도달하는 데 필요한 시간을 다룹니다. 우주의 광대함을 설명하기 위해, 우리는 자동차와 인류가 만든 가장 빠른 우주선을 이용해 몇 가지 천체에 도달하는 데 걸리는 시간을 계산했습니다. 또한, 빛의 속도로 여행할 수 있는 거리를 계산했습니다. 빛의 속도가 우주 깊숙이 여행하기에는 충분하지 않지만, 우리는 우주선이 허구의 워프 드라이브를 사용하여 빛보다 훨씬 빠른 속도를 달성하는 과학 소설 시리즈 스타 트렉에 주목했습니다.
시속 130 km/h (80 mph)로 계속 여행하는 자동차
우주를 자동차로 여행할 수 있다고 상상해 봅시다. 세계 여러 나라에서 고속도로의 최대 허용 속도는 시속 130 km/h 또는 80 mph이므로, 우리는 이 속도를 계산에 사용했습니다. 자동차는 결국 달에 도달할 수 있으며, 그곳에 도착하는 데 약 123일이 걸립니다. 화성까지의 여행은 지구와 가장 가까울 때 48년, 가장 멀 때는 352년이 걸립니다. 뉴 호라이즌스 우주 탐사선은 태양계의 끝에 있는 왜소행성 명왕성에 도달하는 데 9.5년이 걸렸습니다. 자동차로 이 여행을 한다면 최소 3,750년이 걸릴 것입니다. 프록시마 센타우리(Proxima Centauri)는 지구에서 가장 가까운 별로, 4.24광년 떨어져 있습니다. 이 별에 자동차로 도달하는 데는 3,500만 년이 걸립니다.
명왕성의 다채로운 구성. 출처: NASA/존스 홉킨스 대학교 응용 물리학 연구소/남서부 연구소
보이저 1호 – 우주를 여행하는 가장 빠른 인류 제작 우주선
1977년에 발사된 보이저 1호는 인류가 만든 가장 빠른 우주선으로, 약 61,000 km/h(약 38,000 mph)의 속도로 우주를 여행하고 있습니다. 그러나 보이저 1호가 가장 빠른 우주선은 아닙니다. 파커 태양 탐사선은 700,000 km/h(약 430,000 mph)의 속도에 도달하지만, 그 속도는 태양에 가장 가까이 지나갈 때 태양의 중력을 이용해 가속할 때만 달성됩니다. 반면, 보이저 1호는 우주를 여행하고 있으며 현재 가장 먼 인류 제작 물체입니다.
보이저 1호, 항성간 공간 진입 아티스트 개념. 출처: NASA/JPL-Caltech
그렇다면 보이저 1호는 얼마나 빠르고, 광대한 우주 거리를 커버하는 데 얼마나 걸릴까요? 보이저 1호는 현재 속도로 약 6시간 만에 달에 도달할 수 있습니다. 지구에서 화성까지는 화성이 지구와 가장 가까울 때 약 37일이 걸리며, 먼 명왕성까지의 여행은 8년이 걸립니다. 지구에서 가장 가까운 별인 프로시마 센타우리까지 도달하려면 무려 75,000년이 걸립니다. 이러한 계산을 통해 현재 우리의 기술력은 태양계 탐사에 겨우 충분할 뿐이며, 인간 승무원 없이만 가능합니다. 아마도 가까운 미래에 우리는 지구와 가장 가까운 행성인 화성으로 승무원을 보낼 수 있을 것입니다. 현재로서는 우리 기술이 가장 가까운 별에 탐사선을 보내기에는 충분히 발전하지 않았습니다.
빛의 속도로 여행하기
진공에서의 빛의 속도는 약 299,792 km/s(약 186,282 miles/s)로, 대략 시속 1.08억 km(약 671백만 miles per hour)에 해당합니다. 물리학의 법칙에 따르면, 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 설명된 바와 같이, 이는 가능한 가장 높은 속도입니다.
은하 중심의 별들의 가마솥. 출처: NASA/JPL-Caltech
상대성 이론에 따르면, 우주선이나 인간과 같은 질량을 가진 물체가 빛의 속도로 여행하는 것은 이론적으로 불가능합니다. 물체의 속도가 증가함에 따라 그 질량은 효과적으로 증가하여 더 많은 에너지를 필요로 하게 됩니다. 대량의 물체를 빛의 속도로 가속하기 위해서는 무한한 에너지가 필요하며, 이는 현재의 과학적 이해에 따르면 불가능한 여행입니다.
잠시 물리학의 법칙을 무시하고 빛의 속도로 여행하는 것이 가능하다고 가정해 보겠습니다. 인류가 빛의 속도로 여행할 수 있는 우주선을 가졌다면, 우리는 우주에서 얼마나 멀리 갈 수 있을까요? 그러면 전체 우주가 우리의 손이 닿는 곳이 될까요? 우리가 계산한 내용은 다음과 같습니다.
빛의 속도로는 달에 도달하는 데 단 1.28초, 화성에 도달하는 데 3분, 명왕성에 도달하는 데 4시간이 걸립니다. 빛의 속도는 태양계 내에서 빠른 여행에 이상적일 것입니다. 그러나 빛의 속도가 항성 간 여행에 충분할까요? 우리에게 가장 가까운 별인 프로시마 센타우리는 4.24 광년 떨어져 있습니다. 이는 빛이 프로시마 센타우리까지 도달하는 데 4.24년이 걸리며, 돌아오는 데도 같은 시간이 걸린다는 것을 의미합니다. 이러한 여행은 인간 승무원과 함께 가능할 수 있지만, 그러한 우주선의 승객들은 우주에서 상당한 부분의 삶을 보내야 할 것입니다.
지구에서 약 15 광년 반경 내에는 약 50개의 별이 있습니다. 빛의 속도로 여행할 수 있는 우주선은 이 우주 공간을 탐사할 수 있게 해주며, 대부분은 무인 탐사선으로 이루어질 것입니다. 우리는 빛의 속도가 가장 가까운 별로 여행하는 데 충분하다고 결론지을 수 있지만, 우리의 은하수 또는 다른 은하의 먼 지역으로 여행하는 것은 그러한 여행에 소요되는 시간 때문에 불가능할 것입니다.
예를 들어, 가장 가까운 블랙홀인 V616 모노세로티스는 지구에서 3,300 광년 떨어져 있어, 빛의 속도로 도달하는 데 같은 만큼의 시간이 걸립니다. 분명히, 이러한 여행은 실현 가능하거나 합리적이지 않습니다.
우리 은하의 중심에 도달하려면 26,000년이 걸리고, 가장 가까운 나선 은하인 안드로메다까지의 여행은 놀라운 253.7만 년이 걸립니다.
빛보다 빠른 여행
전 세계적으로 유명한 공상과학 프랜차이즈 스타 트렉에서 우주선은 빛의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 이동합니다. 이는 허구의 워프 드라이브 덕분입니다. 스타 트렉의 워프 드라이브는 우주선이 우주선 주위의 시공간을 왜곡하는 "버블"을 생성하여 빛보다 빠르게 여행할 수 있게 합니다. 이렇게 하면 우주선은 우주 내에서 빛보다 빠르게 이동하는 법칙을 위반하지 않고, 그 주위의 시공간을 이동합니다. 이 드라이브는 허구이지만, 과학자들은 비슷한 아이디어를 기반으로 한 드라이브의 이론적 모델을 개발했습니다.
알쿠비에르 드라이브는 시공간을 왜곡하여 빛보다 빠른 여행을 위한 방법을 제안하는 이론적 개념입니다. 이 아이디어에 따르면, 우주선은 실제로 빛보다 빠르게 이동하지 않지만, 자신의 주위에 "버블"을 만들어 우주선 앞의 시공간을 수축시키고 뒤쪽은 확장시킵니다. 이렇게 하면 우주선은 버블 내의 공간에 대해 정지한 상태로 시공간을 효과적으로 통과하게 됩니다. 이를 위해서는 부정적인 에너지를 가진 이국적인 물질이 필요하다고 이론은 제안하는데, 과학자들은 아직 이를 발견하거나 생성하지 못했습니다. 알쿠비에르 드라이브에 대한 더 많은 정보를 여기서 읽을 수 있습니다.
스타 트렉과 워프 드라이브
과학자들이 아직 알쿠비에르 드라이브를 구축하는 데 필요한 모든 장애물을 해결하지 못했지만, 스타 트렉과 워프 속도 여행으로 돌아가 보겠습니다. 스타 트렉에서 우주선은 워프 드라이브를 사용하여 이동했습니다. 기술이 발전함에 따라 워프 속도는 빨라졌습니다. 워프 1은 빛의 속도와 같고, 워프 2는 빛의 속도보다 10배 빠르며, 워프 3은 39배 빠릅니다. 우리는 스타 트렉에서 최대 속도에 대한 데이터가 있는 세 개의 유명한 우주선을 선택했습니다. 시리즈의 우주선은 최대 워프 속도로 지속적으로 이동할 수는 없지만, 우리의 계산을 위해 그들이 가능한 최대 속도를 사용할 것입니다.
캡틴 조나단 아처의 우주선 스타 트렉: 엔터프라이즈
이 우주선의 명칭은 NX-01입니다. 이는 엔터프라이즈 시리즈의 첫 번째 우주선으로, 우주 탐사와 미래 연합의 기초를 다지는 데 중요한 역할을 했습니다. 최대 속도는 와프 5로, 이는 빛의 속도의 214배 빠릅니다. 이 엔터프라이즈를 이용하면 지구에서 명왕성까지 단 1분 30초 만에 도달할 수 있습니다. 가장 가까운 별인 프로xima 센타우리까지는 7일이 걸리고, 가장 가까운 블랙홀인 V616까지는 15년이 걸립니다. 우리 은하의 중심에 도달하는 데는 무려 121년이 걸리며, 안드로메다까지 여행하는 데는 엄청난 11,853,271년이 소요됩니다.
이 우주선은 최대 속도로 30일 동안 약 17 광년을 이동할 수 있습니다. 지구에서 17 광년 이내에는 약 50~60개의 별 시스템이 있으며, 약 100개의 별이 있습니다.
캡틴 장-뤽 피카드의 우주선 스타 트렉: 넥스트 제너레이션
캡틴 장-뤽 피카드의 우주선은 스타 트렉: 넥스트 제너레이션에서 USS 엔터프라이즈(NCC-1701-D)라고 불립니다. 이는 엔터프라이즈라는 이름을 가진 다섯 번째 우주선으로, 스타 트렉 프랜차이즈에서 가장 유명한 우주선 중 하나입니다. 최대 속도는 와프 9.6으로, 빛의 속도의 1,909배 빠릅니다.
피카드의 엔터프라이즈는 단 19시간 28분 만에 프로xima 센타우리까지 도달할 수 있으며, 블랙홀 V616 모노세로티스까지는 약 1년 9개월이 걸립니다. 우리 은하의 중심에 도달하는 데는 13년 7개월이 걸리며, 안드로메다까지 여행하는 데는 1,328년이 소요됩니다.
30일 동안 이 우주선은 156 광년을 이동할 수 있습니다. 지구에서 156 광년 반경 내에는 약 40,000에서 60,000개의 별이 있습니다.
캡틴 캐서린 제인웨이의 우주선 스타 트렉: 보이저
캡틴 캐서린 제인웨이의 우주선은 스타 트렉: 보이저에서 USS 보이저(NCC-74656)라고 불립니다. 이는 델타 쿼드런트에서의 임무로 알려진 인트레피드급 우주선입니다. 최대 속도는 와프 9.975로, 빛의 속도의 5,126배 빠릅니다. 보이저는 단 7시간 만에 프로xima 센타우리까지 도달할 수 있습니다. 블랙홀 V616까지는 7개월이 걸리며, 우리 은하의 중심까지는 5년이 걸립니다. 안드로메다까지는 여전히 도달할 수 없으며, 이 우주선이 그곳에 도달하는 데는 495년이 걸립니다.
최대 속도로 30일 동안 이 우주선은 421 광년을 이동할 수 있습니다. 지구에서 421 광년 반경 내에는 약 125만 개의 별이 있습니다.
우주 여행의 미래
우주의 광대함은 우주 여행의 제한 요소입니다. 현재 우리가 제작하는 우주선은 태양계의 먼 지역과 명왕성과 같은 천체에 도달하는 데 10년 이상 걸릴 수 있습니다. 항성 간 여행은 현재 불가능하며, 우리의 가장 빠른 우주선이 가장 가까운 별에 도달하고 돌아오는 데 15만 년이 걸릴 것입니다. 현재로서는 우리는 태양계 내에서만 여행할 수 있습니다. 항성 간 여행을 위해서는 우리의 기술이 최소한 빛의 속도의 20%에 도달해야 하며, 그래야 탐사가 가장 가까운 별에 약 20년 만에 도달할 수 있습니다. 지구에서 강력한 레이저를 사용하여 가속할 수 있는 그런 우주선 건설 계획이 있지만, 우리는 그러한 탐사가 수집할 데이터를 얻기 위해 또 다른 4년을 기다려야 합니다.
우리 은하와 인근의 안드로메다 은하. 출처: NASA 고다드
가장 가까운 별을 성공적으로 탐사하려면 빛의 속도에 가까운 속도가 필요합니다. 이는 지구에서 15 광년 이내에 있는 약 50개의 별을 과학 연구를 위해 접근 가능하게 만들겠지만, 이러한 여행은 매우 길며 탐사선으로부터 데이터를 받는 데 수십 년이 걸릴 것입니다. 우주는 너무 광대하여 빛의 속도로 여행할 수 있는 우주선조차도 가장 가까운 별만 탐사할 수 있게 됩니다.
빛의 속도를 달성할 수 없고 빛보다 빠른 여행이 불가능하다면, 고급 외계 문명과 만날 가능성은 극히 낮습니다. 우주는 생명의 전체일 수 있지만, 우주에서의 막대한 거리로 인해 문명 간의 접촉은 거의 불가능합니다, 적어도 우리의 우주 부분에서는 말입니다. 예외는 구상 성단과 같은 별 집단 내의 별들일 수 있으며, 이러한 별들은 0.1 광년 정도 가까이 있을 수 있습니다. 그러나 그러한 작은 거리조차도 우리와 같은 문명에게는 믿을 수 없을 만큼 큰 거리입니다. 보이저 1호가 0.1 광년 떨어진 별에 도달하는 데 약 1,769년이 걸릴 것입니다.
빛보다 빠른 여행이 가능할까?
이론적으로 빛보다 빠른 여행은 매혹적이지만, 현재의 과학 법칙, 특히 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물체가 빛보다 빠르게 움직이는 것은 불가능합니다. 그러나 여러 이론적 아이디어는 이 제한을 "우회"할 가능성을 제시합니다:
알쿠비에르 드라이브
1994년 물리학자 미겔 알쿠비에르가 제안한 이 개념은 우주선 주위에 "버블"을 생성하여 그 안에서 시공간이 intact하게 유지되도록 하는 데 기반을 두고 있습니다. 이 버블은 선박 앞의 공간을 수축시키고 뒤의 공간을 확장시켜 사실상 빛보다 빠른 여행을 가능하게 합니다. 우주선은 실제로 공간을 통해 빛보다 빠르게 이동하지 않지만, 그 주위의 공간이 왜곡됩니다. 문제는 이것이 아직 증명되거나 발견되지 않은 음의 에너지를 가진 이국적인 물질을 필요로 한다는 것입니다.
웜홀
웜홀은 우주에서 먼 지점을 연결할 수 있는 시공간의 가설적 터널입니다. 웜홀을 통해 여행하면 두 지점 사이의 전체 거리를 통과할 필요 없이 효과적인 "지름길"을 이용할 수 있습니다.
웜홀은 일반 상대성 이론 내에서 수학적으로 가능하지만, 그것들이 존재하거나 실용적인 사용을 위해 충분히 오랫동안 안정적으로 유지될 것이라는 증거는 없습니다. 또한, 그 유지에는 이국적인 물질이 필요할 수 있습니다.
타키온
이론에 따르면, 타키온은 항상 빛보다 빠르게 움직이는 가설적 입자입니다. 그러나 그 존재는 증명되지 않았습니다. 만약 타키온이 존재한다면, 인과성과 같은 물리학의 기본 법칙을 위반하게 되어 시간 여행과 같은 역설을 초래할 수 있습니다.
워프 드라이브
스타 트렉에서, 워프 드라이브는 알쿠비에르 드라이브와 유사한 개념을 사용하여 우주선이 전통적인 의미에서 빛보다 빠르게 이동하지 않고 그 주변의 시공간을 왜곡합니다. 비록 허구이지만, 이 아이디어는 실제 물리학자들이 시공간 왜곡의 가능성을 탐구하도록 영감을 주었습니다.
준결정 공간 또는 더 높은 차원
끈 이론과 같은 일부 이론에서는 우주가 우리가 인식할 수 있는 것보다 더 많은 차원을 가지고 있다고 합니다. 더 높은 차원을 통해 여행하면 삼차원 공간에서의 "지름길"을 이용할 수 있습니다. 이 아이디어는 여전히 매우 추측적이지만 이론적으로 흥미롭습니다.
이러한 아이디어는 흥미롭지만, 대부분은 여전히 이론과 공상 과학의 영역에 있습니다. 현재 우리는 빛보다 빠른 여행을 실현하는 데 필요한 기술이나 재료가 없지만, 이국적인 물질, 시공간 및 양자 물리학에 대한 지속적인 연구는 미래에 대한 새로운 가능성을 계속 제공하고 있습니다.