빛의 입자인 광자의 속도 한계가 확인되면서 시간여행의 불가능성이 더욱 확실해졌다고 BBC 뉴스가 보도햇다.
진공 상태에서 빛이 진행하는 속도인 초당 30만㎞는 우주의 궁극적인 속도 상한선이지만 최근 몇몇 실험 결과 광자 하나하나는 이를 넘어설 수 있을 것이라는 추측이 제기되기도 했다.
그러나 홍콩 과학기술대학 연구진은 개별 광자 역시 이런 한계를 넘을 수 없음을 확인했다고 물리학 리뷰지에 발표했다.
이는 아인슈타인의 특수상대성이론에서 명시된 `인과율’, 즉 한 사건의 효과가 초광속 이동으로 그 원인에 선행할 수 없다는 법칙에서 광자도 예외가 아님을 의미한다.
진공상태에서 광속의 한계는 초속 30㎞란 일정한 수치이지만 실제 빛은 여러 다른 매질을 통과하면서 다양한 속도로 진행한다.
이런 차이는 물 속에서 빨대가 꺾인 것처럼 보인다거나 저온가스 속에서 빛의 속도가 실제로 조절 가능한 것 등 여러 현상을 설명해 주며 심지어 어떤 실험에서는 광자 집단이 특정 매질 안에서 빛보다 빨리 이동한다는 `초광속’ 움직임이 나타나기도 했다.
그러나 개별 광자가 진공 속의 한계를 넘어설 수 있는 지는 아직까지 결론이 나지 않은 상태였는데 홍콩 과학자들이 `빛의 전구현상’(optical precursor)으로 불리는 현상을 측정함으로써 그 한계가 확인된 것이다.
빛의 전구현상이란 고속으로 달리는 기차 앞에서 부는 바람처럼 광자가 매질을 통과하기 전에 일어나는 파동을 가리키는데 지금까지 개별 광자의 이런 현상은 한번도 직접 관찰된 적이 없었다.
연구진은 우주의 극저온 한계인 절대온도보다 1억분의1도 높은 온도를 유지한 원자 증기 속으로 몇 쌍의 광자들을 통과시는 실험을 통해 빛의 전구현상과 이를 일으키는 광자의 속도가 광속으로 한정돼 있음을 입증했다.
연구진은 “개별 광자들이 초광속으로 이동할 수 없음을 확인함으로써 개별 광자가 실어 나를 수 있는 정보의 속도 논란도 종지부를 찍게 됐다”고 밝혔다.
즉 광자는 시간이동을 할 수 없으며 따라서 초고속 정보이동 역시 불가능하다는 것이 이들의 결론이다.
연구진은 “우리의 연구 결과는 양자 정보의 이동에 관해 보다 명료한 전망을 제공함으로써 실제 응용이 가능할 것”이라고 말했다.
그러나 광자가 아닌 다른 방법을 통한 시간여행 가능성마저 이것으로 배제된 것은 아니다.
아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 공간과 시간은 같은 매질의 혼재된 두 측면이며 따라서 매질을 휘게 만들어 두 개의 서로 다른 시간이 `웜홀’(wormhole)을 통해 만나도록 할 수도 있다.