▲ 산타 할아버지가 뉴트리노라면......ⓒ 뉴스타운

미국의 에이비시(ABC) 방송은 21일(현지시각) 과학 뉴스 란에서 “크리스마스 전야, 하룻밤에 전 세계 어린이 30억 명에게 전부 선물을 주려 다닌다면 그 속도는 얼마일까?”라는 아주 흥미로운 기사를 과학적 사실을 곁들여 설명했다.

산타 할아버지가 24시간 안에 전 세계를 떠돌며 거의 동시에 어린이들에게 선물 줄 수 있으려면 산타 할아버지에게만 적용되는 뭔가 강력한 물리 법칙이 있어야 지구를 돌아다닐 수 있을 텐데 그게 가능 할까요 ?

[ 어린이다운 질문 ]

“어떻게 산타 할아버지는 하루 저녁 사이에 온 세상에 선물을 전해줄 수 있을까? 시간 여행을 하는 것은 아닐까요?”

[ 과학적 답변 ]

“성탄 전야의 산타 할아버지 임무는 무척 힘들기도 할 것이다. 산타 할아버지가 하루 저녁에 30억 명이나 되는 어린이들을 방문해야 하니 말이다.
 
하루 저녁에 온 세상 어린이들에게 모든 선물을 전하려면, 그의 썰매와 순록들은 무척 빠른 속도로 날아야 하는데, 그러면 공기 저항과 극심한 관성에 의해서 온통 타버릴 것이다.
  
수수께끼 같은 산타의 업무는 과학에서는 가장 복잡한 문제 중의 하나일 것이다.
 
흠.. 산타와 순록, 그리고 썰매가 대전된 입자로 된 이온 방패 막으로 둘러싸여 자기장으로 유지될 수도 있다.
 
하지만 초당 8천 가구를 방문해야 하는 어려움을 푸는데는 도움이 안 된다. 불가능해 보인다.
 
하지만, 현대 물리학의 발달 덕분에, 산타는 그의 붉은색 벨벳 소매 위에 몇 가지 중요한 비결을 가질 수 있게 됐다.“

빛보다 빠르면.
 
빛의 속도는 이제껏 우주의 궁극적인 제한 속도로 생각됐다. 아인슈타인의 ‘특수상대성이론’에 의하면 어떤 것도 빛보다 빠를 수는 없으며, 이것은 물리학의 커다란 초석 중의 하나이다.
 
그런 물리학자들에게는 놀랍게도, 최근 과학자들이 뉴트리노가 빛보다 빠르다고 보고했다. 이 실험은 오페라(OPERA) 프로젝트 팀이 수행했는데, 스위스 소재 유럽원자핵공동연구소(CERN)에서 732 킬로미터 떨어진 이탈리아의 그란 사소(Gran Sasso) 국립 연구소로 뉴트리노를 발사한 것이다.
 
뉴트리노는 다른 물질과의 상호작용이 매우 약하다. 지금 이 순간에도 우리 몸을 수십억 개의 뉴트리노가 통과하고 있지만 우리는 알아차리지 못하며, 뉴트리노도 우리에게 어떤 해도 끼치지 않는다.
 
실험에 사용된 뉴트리노들은 빛, 즉 광자가 같은 거리를 여행하는 동안 걸리는 시간 2.3 밀리초(秒)보다 60 나노초(秒) 빨랐다. 광자는 진공에서 1초 동안 정확히 299,792,458 미터를 여행한다.
 
대부분의 과학자들은 오페라 팀의 결과에 회의적이며 이제 다른 연구팀들도 같은 결과를 낼 지 기다리고 있는 중이다. 그러나 오페라 팀의 실험이 정확했다면 어떤 일이 일어날까? <참고 : OPERA=Oscillation Project with Emulsion-Racking Apparatus"의 약자이다. 우리말로는 "사진 유제(에멀젼) 입자(粒子) 비적(飛跡) 측정 장치를 이용한 뉴트리노 변환(진동) 프로젝트" 정도로 해석됨>
 
오스트리아 국립대학의 이론 물리학자 크레이그 세비지 교수는 뉴트리노가 기묘한 입자인데, 그것은 주로 뉴트리노의 약한 상호 작용성 때문이라고 한다. 세비지 교수 "뉴트리노는 다른 입자 물리학과 분리하여 생각될 수 있다. 따라서 뉴트리노가 초광속(超光速)(빛보다 빠른 속도)이라고 해도 다른 물리학에 그리 (나쁜) 영향을 주지 않는다."고 설명했다.
  
시간 여행에서의 문제
 
그러나 빛보다 빠른 여행이란 말은 시간을 거슬러 올라갈 수도 있다는 것을 암시하는데, 과학자들은 이런 일이 가능할 지에 대해서는 의견이 나뉜다.
 
세비지 교수는 "시간 여행은 할아버지 파라독스 같은 문제를 야기하는데, 할아버지 패러독스란 시간을 거슬러 올라가 '자기' 할아버지가 사춘기 달하기도 전에 죽이는 것을 가정한다. 이렇게 되면 자기 아버지(또는 어머니)가 태어날 수가 없을 것이고, 그래서 자기 자신도 태어날 수 없고, 결국 자기 할아버지를 죽이려고 시간을 거슬러 올라갈 '자기'도 없어지게 되는 패러독스를 말한다. 이 같은 패러독스는 '새로운 법칙'을 발명하지 않고서는 해결되지 않는다. 즉, 시간을 거슬러 올라가면 또 다른 우주로 들어가게 되는데, 그곳에는 '자기'가 존재하지 않으며, 따라서 사춘기 전의 자기 할아버지를 죽이는 것과 같은 일은 일어날 수 없다는 식이다."
 
할아버지 패러독스는 일반 상대성 이론에서도 문제가 되는데, 세비지 교수에 따르면 아인슈타인이 '일반 상대성 이론'이라 불리는 그의 중력 이론을 발명한 이래로, 사람들은 이것이 시간 여행을 가능케 하는 것으로 알고 있다고 한다.
 
웜홀은 일반 상대성 이론 방정식의 가상적인 수학적 해(解)에서 나온 것인데, 시공간의 두 장소를 터널 혹은 지름길로 연결할 수 있으며, 이것은 결과적으로 시간 여행이 된다. 그리고 세비지 교수에 따르면 이론상 웜홀이 없으라는 법은 없으며, 일단 웜홀만 있다면 시간 여행을 할 수 있다고 한다. 
 
기존 법칙을 바꾸면

세비지 교수에 의하면 할아버지 패러독스를 해결하는 가능한 방법은 특별한 기준계(기준 좌표계)를 도입하는 것을 포함한다고 한다. 이 특별한 기준계에서는 초광속 입자가 항상 미래로만 여행을 하며, 따라서 '기존 법칙'을 바꾼다.
 
아인슈타인의 상대성 이론은 당신이 어떻게 움직이든지 물리 법칙은 항상 같다고 한다. 그런데 이 말이 틀린 것이라면?
 
만일 같은 물리 법칙이 뉴트리노를 제외한 모든 물질이나 광자에는 적용되지만, 뉴트리노만은또 다른 물리 법칙이 적용된다면?
 
만일 뉴트리노가 별도의 기준계에서 움직인다면?
 
"그것은 물리 법칙을 바꾼다는 것을 의미한다."
 
"물리 법칙을 바꿔야만 패러독스를 해결할 수 있다."
 
"그것은 화이트보드에 적는 복잡한 방정식들만은 아니다. 왜냐면 만일 오페라 프로젝트 팀이 뉴트리노의 초광속을 증명한다면, 물리 법칙이 반드시 변경되어야 하기 때문이다. 가령 할아버지 패러독스를 다룰 특별한 기준계가 존재한다는 식으로 변경되어야 하기 때문이다."
 
"따라서 만일 초광속 뉴트리노의 존재를 (불가능한) 시간 여행 때문에 비판하고자 한다면 시간 여행을 허용하고 있는 일반 상대성 이론도 비판해야 한다."
 
세비지 교수는 철학에서처럼 실험적 증명이 없다면 이처럼 여러 가지 생각을 할 수도 있다고 말한다.
  
다시 산타 할아버지에게 돌아가 보면
 
옳다고 증명되든 그르다고 판명이 나든, 세비지 교수로서는 초광속 뉴트리노 발견이 산타 할아버지가 하루 저녁 동안 수많은 집들을 방문할 수 있는 능력을 잘 설명할 수 있는 근거를 제공하지는 않을 것이라고 믿고 있다. "이것은 산타 할아버지가 하루 저녁에 뉴트리노에 의해서 지구를 한 바퀴 순회할 수 있는 능력을 설명할 수 없다. 산타 할아버지가 뉴트리노로 만들어진 분이 아니니까."
 
하지만 산타 할아버지가 새로운 기준계에 존재한다면?

오페라 프로젝트는 뉴트리노 진동 현상을 가장 간단하게 테스트할 수 있도록 설계됐다. 이 실험은 제네바의 유럽원자핵공동연구소(CERN) 슈퍼 양성자 가속기(SPS, Super Proton Synchroton)에서 생성되는 씨엔지에스(CNGS) 고강도/고에너지 뮤온 뉴트리노 빔을 이용하는데, 이 빔은 730 킬로미터 떨어져 있는 이탈리아 중부 그란 사소 국립 연구소(LNGS) 지하 실험실 쪽으로 발사된다.
 
* 씨엔지에스(CNGS)란 "CERN Neutrinos to Gran Sasso", 즉, 그란 사소로 향하는 CERN 뉴트리노라는 뜻이다. LNGS는 "Laboratori Nazionali del Gran Sasso", 즉, 그란 사소 국립 연구소라는 뜻이다.
 
오페라 프로젝트는 그란 사소 국립 연구소 C 홀에서 진행되는데, 제네바에서 그란 사소까지 3/1000초, 즉, 3 밀리 초(秒) 간의 여행 동안 뮤온-뉴트리노 변환(진동)에서 생성되는 타우-뉴트리노를 최초로 감지하게 위한 목적을 갖고 있다. 오페라에서는 타우-뉴트리노들의 상호 작용에서 생성되는 타우-렙톤을 감지하기 위하여 연판(鉛板) 틈새에 사진 유제 필름을 '벽돌'처럼 끼워 넣은 일종의 비적(飛跡) 감지기를 사용한다