세상에서 제일 빠른 빛은 사실 생각보다 느리다..?(타임머신 가능??)

https://youtu.be/bkBfV0PsML8

1. 빛의 속도와 양자 얽힘에 대한 이해

1-1. 빛의 속도와 거리에 따른 변화
- 빛의 속도는 대략 삼 곱하기 십에 팔 승 미터 퍼 세컨드임
- 이 속도는 시속 십억 킬로미터가 됨
- (중요) 빛의 속도가 빛이 물질 안에서 이동할 때 느려짐
- 물질의 속도가 느리면 빛의 속도도 느려짐
- 따라서, 빛의 속도를 결정하는 굴절률이 큰 물질을 만들 수 있음

1-2. 통신과 빛의 속도
- 지구 반대편과 통신할 때, 빛의 속도가 느려져 게임 등이 어려워짐
- 신호가 지구 반대편으로 가는데 걸리는 시간이 약 0.13초로, 통신에 느린 시간이 발생함
- 게임을 하는 등 빠른 속도의 통신이 가능한 시대가 도래함
- 그러나, 빠른 통신이 가능한 시대에도 빛의 속도로 전달할 수 없는 한계가 존재함

1-3. 양자 얽힘과 특수 상대성 이론
- (중요) 서로 떨어져 있는 입자들이 서로에게 영향을 끼치는 것은 양자 얽힘 때문임
- 양자 얽힘은 양자역학에서 파동함수 하나의 파동함수로 기술되는 하나의 물질을 의미함
- 이는 양자 중첩의 개념으로, 동전이 돌면서 나오는 상태를 예로 들 수 있음
- 양자 얽힘을 통해 동전의 상태가 서로 연결되어, 동전을 칠 때만 그 상태가 변경됨
- 특수 상대성 이론과 양자 얽힘은 모순되지 않으며, 빛의 속도로 제한되는 통신의 시간차는 불가피함

2. 양자 얽힘과 원인 결과의 법칙

2-1. 양자 얽힘의 원리
- 두 동전이 동시에 앞면과 뒷면이 나오는 현상을 통해 양자 얽힘 설명함
- 상호작용이나 원래 상태가 강하게 연결되어 양자 얽힘 상태가 됨
- 양자 얽힘은 물리학의 왜를 대답하는 학문이 아님
- 원자와 같은 입자들은 강하게 상호작용하여 양자 얽힘 상태에 있음
- (중요) 소입자들은 이미 각자의 상태가 정해져 있어 원자 구성을 한정적으로 설명 가능

2-2. 양자 얽힘의 성질과 발견
- 벌써 알려진 양자 얽힘의 성질이 변하지 않는 한 기술은 그대로 유지됨
- 타임머신의 경우 원인이 결과에 영향을 주지 않는다는 원리가 바뀌면 과거로 가는 타임머신은 불가능
- 빛보다 빠른 걸 찾기 했다는 실험의 결과가 빛보다 빠른 속도 측정 결과로 잘못된 측정으로 판단된 사례 소개
- 과거로 가는 타임머신의 가능성에 대해 물리학자들은 원인 결과 원칙을 크게 흔드는 일로 여김

2-3. 양자 얽힘과 원인 결과의 법칙에 대한 재고
- 타임머신이 빛보다 빠른 걸 발견한다면 과거로 갈 수 있는가라는 질문에 대한 물리학자들의 대답
- 우주선의 속도로 예를 들어 설명하는 상황 소개
- 물리학이 현실에 바를 딛고 있는 학문인지, 현실을 초월하는 것을 확인하는 것에 대해 설명함

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지구 반대편에 있는 사람과 제가 통신을 하기 위해서는 그게 벌써 영 점 한 일 삼 초 정도가 됩니다. 빛의 속도가 빠른가라는 생각이 들기 시작을 했습니다. 그 사이에 모니터의 프레임은 벌써 한 대여섯 개가 지 지난 거예요. 이러면은 벌써 격투기 같은 게임을 하기에는 너무 느린 스피드가 되죠. 사실 타임머신은 지금도 미래로 가는 타임머신은 만들 수가 있어요. 굴절률이 만일 마이너스라면 진공에서의 광속보다 빠르게 가지 않을까? 그래서 만들었어요. 고려대학교 물리학과의 최은미입니다. 빛의 속도는 대략 삼 곱하기 십에 팔 승 미터 퍼 세컨드인데요. 이거를 우리가 조금 더 익숙한 단위로 환산을 하면 시속 십억 킬로미터가 됩니다. 엄청 빠르죠 빛은 이 세상에 있는 그 어떤 것보다도 빠른 게 빛입니다. 그런데 빛이 느린 경우가 있는데요.

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예를 들어서 빛의 속도가 우리가 인제 뭐 시속 십 억 킬로미터라고 할 때 그 속도는 빛이 진공 혹은 그냥 이런 공기 중을 지날 때의 속도입니다. 근데 빛이 만일 물에만 들어가도 속도가 좀 느려져요 그리고 빛이 만일 어떤 물질 예를 들어 뭐 다이아몬드라든가 이런 이제 물질 안에 지나갈 때는 또 속도가 좀 느려집니다. 그래서 물질 안에서의 빛의 속도를 결정하는 것을 굴절률이라고 부르는데요. 굴절률이 큰 물질을 우리가 만들 수 있다면 빛의 속도도 정말 느리게 만들 수 있죠. 이건 과학적인 측면이고요. 또 다른 약간 기술적 측면에서는 우리가 생활의 범위가 넓어졌어요. 우리가 그동안에는 우리의 생활 반경이 기껏해야 뭐 우리 집 옆집 우리 동네 이 정도였다면 요즘은 인터넷이 발전을 하면서 정말 지구 반대편의 사람하고 고도 통신을 하잖아요.

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근데 이렇게 지구 반대편 꽤 먼 거리랑 이야기를 하기 시작하면서 빛의 속도가 빠른가 라는 생각이 들기 시작을 했습니다. 왜냐하면, 제가 이제 지구 반대편에 있는 사람이랑 광통신을 하고 있다고 생각을 해 볼게요 동그란 지구 반대편에 있는 사람과 제가 통신을 하기 위해서는 광케이블이 깔려 있는데, 지구를 통과할 순 없으니까 여기 지구 둘레를 빙 둘러서 광케이블을 통해서 저희가 통신을 합니다. 그러면 신호가 이 사람한테 갔다가 다시 저한테 와야 되는데 내가 보낸 신호가 이 사람한테 가는 데 걸리는 시간이 킬로미터를 광속으로 나눈 이제 시간만큼 시간이 걸리겠죠. 그게 벌써 영 점 한 일 삼 초 정도가 됩니다. 그러면 이게 영 점 일 삼 초가 짧은 것 같지만 사실 또 그렇게 짧진 않거든요.

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왜냐하면, 저희 요즘 이런 모니터 같은 거에서 동영상이나 아니면 게임을 하실 때 프레임 속도 이런 걸 할 때 보통 1초에 60번 바뀌는 속도로 저희가 많이 보는데요. tv도 60hz 정도로 프레임이 바뀌고 그러면 그 얘기는 한 프레임당 걸리는 시간이 약 16ms 0.016초 정도가 돼요. 그 얘기는 제가 보낸 신호가 지구 반대편에 있는 사람한테 가는 데 걸리는 시간이 벌써 0.13초였잖아요. 그사이 모니터의 프레임은 벌써 한 대여섯 개가 지난 거예요. 그리고 심지어 다시 돌아와야 되죠. 그럼 만약 여러분이 게임을 하고 계시다 제가 지구 반대편 애랑 게임을 하면은 제가 클릭하고 프레임이 한 일곱 여덟 개가 지나야지 상대편한테 도달하는 거 거예요. 이러면 벌써 약간 격투기 같은 게임을 하기에는 너무 느린 스피드가 되죠. 그래서 우리의 생활반경이 점점 더 넓어지면서 빛이 빠르지만 우리가 체감하기에 그렇게 빠르지 않은 시대가 왔다고 봅니다.

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네 어디에 있는 상대 플레이어와 이제 게임을 하느냐에 따라 신호가 전달되는 시간 그리고 상대방이 누른 신호가 저한테 오는 시간 차이가 생기는데요. 만일 피씨방에서 바로 옆에 앉은 친구랑 게임을 한다 그러면 거의 무시할 정말 즉시에 가까운 무시할 수 있는 시간차로 플레이를 할 수 있지만 아까 말씀드린 것처럼 지구 반대편에 있는 사람이랑 게임을 한다 그러면 어쩔 수 없이 시간차가 생깁니다. 남미 쪽하고 하면 좀 재미가 없으실 거예요. 이거는 어떻게 극복할 수가 없는 문제인데요. 일단 통신 자체가 광통신이니까. 그러니까 빛의 속도보다 빨리 정보를 전달할 수 없는 것도 있고요. 그리고 우리가 만일 설령 새로운 통신 방법을 구축을 해서 빛이 아닌 매개체로 통신을 한다고 해도 모든 물질은 빛의 속도보다 빠를 수가 없습니다. 이게 바로 이슈타인이 만든 특수 상대성 이론인데요. 그렇기 때문에 지금 빛의 속도로 제한되는 이런 통신의 시간차는 어쩔 수가 없습니다.

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양자 얽힘이 정말 멀리 떨어져 있는 두 물질의 상태가 얽혀 있다. 말 그대로 연관성을 가지고 있다는 건데요. 많이 드는 예가 지구에 있는 입자와 달에 있는 입자가 양자 얽힘일 때 제가 지구에 있는 입자의 양자 상태를 측정하는 순간 달에 있는 애의 양자 상태가 변해서 우리가 알 수 있다는 게 양자 얽힘에 대한 설명이고 이 설명 때문에 사실 많은 사람들이라고 물음표를 많이 이제 표현을 하셨어요. 특히 아인슈타인 특수 상대성 이론을 만든 아인슈타인도 이 양자 얽힘의 개념을 정말 싫어했어요. 엄청 반대를 했는데요. 하지만 실험적으로 양자 얽힘은 구현이 됐 있고요. 근데 여기에서 그러면 양자 얽힘이 특수 상대성 이론이랑 모순되는 거냐라고 하시면 그건 아니에요. 왜냐하면, 정보가 전달되지는 않아요.

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다시 아까 지구와 달의 예로 얘기를 해 보면 지구에 있는 재가 지구에 있는 입자를 측정해서 정보를 얻었죠. 그러면 저는 그 즉시 달에 있는 입자에 대한 정보를 알 수 있어요. 하지만 제 친구가 달에 있다면 달에 있는 제 친구는 그 정보를 아직 몰라요. 제가 측정한 즉시 저는 달에 있는 입자의 정보를 알지만 달에 있는 친구는 아직 어떤 일이 일어났는지 아무것도 모르는 거죠. 그래서 정보의 전달은 이루어지지 않기 때문에 양자 얽힘은 이제 특수 상대성 이론 즉 빛보다 빠른 물질은 없다. 와 모순이 되지 않습니다. 그러면 어떻게 이렇게 멀리 떨어진 입자가 서로에게 영향을 끼치냐라고 인제 물으실 수도 있는데요. 그거는 양자 얽힘은 기본적으로 이 둘이 하나라고 보시면 돼요. 지금 저희가 보기에는 입자가 두 개고 하나가 지구에 있고 하나가 달에 있는 것처럼 보이지만 사실 얘는 하나인 거예요.

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양자역학에서 파동함수 하나의 파동함수로 기술되는 하나의 물질이라고 보시면 하나니까 제가 하나의 일부를 측정하면 다른 애가 당연히 결정이 되겠죠. 그것처럼 정보의 전달 없이 씨 얘는 그냥 하난 거예요. 그렇게 생각하시면 특수 상대성 이론이랑 모순 없이 아마 받아들이실 수 있을 것 같습니다. 양자 얽힘은 말 그대로 두 개 이상의 물질 뭐 입자라고 할게요 물질이 강하게 서로 얽혀 있다. 말 그대로 얘네 상태가 얽혀있다는 건데요. 예를 들어 하나가 영이면 다른 하나도 무조건 영이어야 되고 하나가 일이면 다른 하나도 무조건 일이어야 된다. 이런 상태를 양자 얽힘이라고 부릅니다. 그게 뭐 말로는 알겠는데 뭐지라고 생각하실 수도 있는데요. 예를 들어 동전으로 좀 비유를 들어보자면 동전이 앞면 이 0이고 뒷면이 1이라고 할게요 그러면 동전을 돌리는 상태 빙글빙글 도는 상태가 소위 양자 중첩이겠죠.

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0이면서 1인 앞면 뒷면 계속 번갈아 가면서 나오니까요? 그리고 우리가 이런 동전이 있을 때 탁 치는 거를 저희가 양자역학에서 측정이라고 부릅니다. 그러면 돌고 있는 동전을 탁 치면 0 아니면 일이 나오겠죠. 그게 이제 양자역학에서 측정인데요. 얽힘은 동전 두 개가 같이 돌고 있습니다. 그러면 도는 동전이 서로 상태가 연결이 되어 있다는 건데요. 예를 들어 두 개 돌고 있는 동전에서 제가 한 쪽만 탁 쳐서 앞면이 나왔어요. 그러면 그 즉시 제가 치지 않은 동전도 동시에 혼자 넘어지면서 무조건 똑같이 앞면이 나오는 거예요. 만일 제가 손으로 친 동전이 뒷면이 나오면 이 남은 동전도 그 즉시 혼자 넘어지면서 뒷면이 나오는 거예요. 이게 인제 양자 얽힘입니다. 서로 떨어져 있는 것처럼 보이는 두 입자의 상태가 말 그대로 진짜 얽혀있는 거죠. 강하게 왜 일어나는지를 어디까지 파고드느냐에 따라 다를 것 같은데요. 저희가 양자 얽힘을 만들어 줄 수도 있거든요.

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어떤 입자 두 개를 얽히게 만들어 줄 수도 있는데, 그런 관점에서 본다면 얘네가 왜 양자 얽힘이 상태가 됐느냐라고 물으신다면 얘네 둘 사이에 상호작용이 있기 때문이라고 말씀을 드릴 수 있고 아니면은 원래 하나였던 애가 둘 쪼개진다면 이 쪼개진 둘은 또 서로가 원래 하나였으니까 밀접하게 연관이 있죠. 이런 식으로 서로 강하게 상호작용이 있다. 아니면 원래 하나였다. 이럴 때 양자 얽힘이 생깁니다. 근데 이제 더 근본적으로 왜 이 세상에 양자역학을 따르며 왜 그래서 양자 얽힘이 있고 이런 질문으로 들어가면 이제는 정말 대답하기가 어려워지는데요. 제가 가지고 있는 관점은 물리학은 왜를 대답하는 학문이 아니라는 점입니다.

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물리학은 자연 현상 현상을 기술하기 위한 학문이고 이 자연 현상이 어떤 법칙으로 움직이고 있는가 어떤 법칙의 지배를 받고 있는가를 기술하는 학문인데 그런 법칙을 안다고 해서 우리가 그 법칙이 왜 이렇게 구성되어 있는지 지는 알 수가 없거든요. 그건 이제 물리학을 넘어서는 다른 분야라고 생각을 합니다. 그래서 결국은 설명하지 못한다는 얘기예요. 만일 두 개의 원자가 양자 얽힘 상태일 때 이 원자를 구성하는 소입자들 각각도 영향을 받는가 하면 영향을 받는다고 볼 수도 있죠. 이 소입자들이 모여서 하나의 원자를 이루니까요? 그래서 이 두 개의 원자가 얽혀있다는 얘기는 이쪽 원자에 포함된 소입자들과 이쪽 원자에 포함된 소입자들이 연결되었다. 얽혀있다고 보셔도 괜찮습니다. 각각 상태가 있는데요. 근데 소입자들은 사실 원자 하나를 구성할 때 소입자들 간의 상호작용이 상당히 세요.

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상호작용이 너무나도 강해서 소입자 세 개가 모여서 원자 하나를 만들 때 이미 이 아이들의 상태가 양자 얽힘이에요. 그것도 하나가 무슨 상태 a면 나머지 두 개의 상태도 자동적으로 정해져 버립니다. 그래서 이 소입자들의 상태는 이미 딱 정해져 있어요. 픽스가 돼 있어요. 그래서 하나의 원자를 구성을 하고 있고 그래서 우리는 그냥 보통 실험을 할 때 소입자 하나하나를 생각할 필요 없이 얘네는 이미 각자의 상태가 다 딱 정해져 있기 때문에 보통은 저희가 그냥 하나의 원자라고 생각을 해도 무방합니다. 사실은 우리를 구성하는 모든 물질들은 양자 얽힘 상태 가 부분적으로 존재하는 거죠. 양자 얽힘이 없는 부분은 진공은 사실 뭐 양자 얽힘이 없을 수도 있지만 아무것도 없으니까요? 그런데 원자 이상의 입자가 존재한다면, 그 원자 안에는 이미 소입자들이 강하게 상호작용하면서 양자 얽힘 상태에 있는 거죠.

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그런 비밀이 풀리면서 만일 우리가 모르던 양자역학의 성질을 새롭게 발견한다면, 또 이제 그에 맞게 새로운 기술이 나오고 새로운 이론이 나올 텐데요. 만일 양자 얽힘의 비밀이 풀렸는데 저희가 지금까지 알고 있는 양자 얽힘의 성질은 특히 변하는 게 없다고 하면 우리는 이미 양자열킴의 성질은 알고 있어요. 얘가 어떤 식으로 행동하는지 왜는 몰라도 얘가 어떻게 행동하는지는 잘 알고 있다고 저희가 생각하거든요. 그래서 그게 바뀌지 않는 한 기술은 그대로일 거예요. 사실 있었어요. 빛보다 빠른 걸 찾기 했다는 목적을 가졌던 실험도 있고 어떻게 하다 보니까 어 얘 빛보다 빠른 거 같은데라는 실험도 있었는데요. 먼저 대표적으로 벌써 한 십몇 년 전에 이천십일 년에 유럽에 있는 입자 물리 연구소에서 중성 미자라는 어떤 소입자가 빛보다 빠른 거 같아라는 결과를 발표를 했었어요. 그래서 상당히 그때 센세이션을 일으켰는데요.

11:48
근데 알고 보니까 결국 빛보다 빠른 값 속도를 측정한다는 거는 정확한 시계가 있어야 되잖아요. 근데 그 시계가 잘못됐던 거예요. 실험 장치의 시계가 gps랑 연동이 돼야 되는데 거기에서 오류가 있어서 사실은 빛보다 빠르지 않은데 빛보다 빠른 것 같은 결과를 줬던 거죠. 그래서 약간 해프닝으로 끝났는데요. 그 외에도 저희가 진공에서 빛이 광속으로 진행을 한다는 걸 알고 있는데, 혹시 제가 아까 어떤 물질이 있을 때 이 물질이 만일 굴절률이 10이다. 그러면 이 물질 안에서는 빛이 더 느리게 갑니다 라고 말씀을 드렸는데 그러면 이 물질이 굴절률이 만일 마이너스라면 그러면 이 물질 안에서 빛이 진공에서의 광속보다 빠르게 가지 않을까?

12:40
그런 의문을 가지고 많은 연구들이 그런 물질을 만들어 보려고 음 에 굴절률을 갖는 물질을 만들어 보려고 많은 실험들이 있었는데요. 그래서 만들었어요. 특정 파장에서만 예를 들어 굴절률이 마이너스인 물질들을 만들었는데 근데 이때 빛이 그러면은 그 물질 안에서 빛이 빛보다 빠르다 말이 좀 이상한데 빛이 진공에서 속보다 빠른 게 관측은 됐는데요. 근데 여기서의 속도는 에너지가 전달되는 속도가 아니라 빛이 이렇게 파장인데 이 파장이 움직이는 거잖아요. 그러면 파장에서 예를 들어 이 꼭대기 부분 이 꼭대기 부분이 움직이는 속도 위 속도는 광속보다 빠른 게 관측이 됐어요. 이걸 이제 위상 속도라고 저희가 부르는데요. 위상 속도는 에너지를 전달해 주지는 않아요. 그냥 파동이 우리 눈에 좀 빨리 가는 것처럼 보이는 거예요. 이렇게 파동이 이렇게 지나갈 때 그래서 결국은 빛보다 빠른 건 아직 발견되지 않았습니다.

13:39
사실 타임머신은 지금도 미래로 가는 타임머신은 만들 수가 있어요. 그냥 빨리 가는 우주선에 우리가 타면 우리의 시간은 느리게 가거든요. 그런데 그냥 지구에 있는 다른 사람들의 시간은 빨리 가거든요. 그래서 그냥 빨리 가는 우주선에 한 10년 타고 있으면 저한테는 10년의 시간이지만 다른 사람들한테는 한 15년의 시간일 수도 있어요. 제가 엄청 빨리 간다면 그러면 벌써 그게 타임머신이라고 볼 수 있죠. 타임머신이 결국 사람들은 다 미래에 있는데, 나만 현재의 사람이 가는 거니까요? 그런 타임머신은 사실 빛보다 빠른 걸 발견하지 않아도 가능은 해요. 가능은 한데 만일 빛보다 빠른 타임머신을 만든다면 그럼 과거로 갈 수 있느냐라는 질문을 하실 수 있는데, 과거로 가는 건 물리학자들은 다 불가능하다고 여겨요 광속도 있고 여러 가지 이슈가 있는데, 결국은 이제 물리학자들이 포기할 수 없는 이론 중에 하나가 원인 결과 인데요.

14:38
원인이 결과를 바꾸지 결과는 원인에게 영향을 주지 않는다는 법칙이 있는데, 사실 과거로 가는 타임머신은 이거를 크게 흔드는 일이거든요. 제가 만일 타임머신을 타고 과거로 가서 애기 때 저한테 해코지를 한다. 아니면 애기 때 저에게 속닥속닥해서 무슨 주식을 사라고 하면 현재 저의 상태가 바뀌어야 되잖아요. 근데 그거는 벌써 인과설 원인과 결과를 크게 망가뜨리는 일이기 때문에 그래서 과거로 가는 타임머신은 결국 말이 안 된다라는 게 이제 보통 물리학자들이 생각하는 정설입니다. 멀티 유니버스는 저희가 확인할 수가 없잖아요. 어느 한 우주에 속한 저희로서는 다른 우주의 존재를 확인할 수가 없기 때문에 또 이제 물리학은 현실에 바를 딛고 있는 학문인지라 관측할 수 없는 거에 대해서는 상당히 조심스럽거든요. 무조건 가정이라고 그러고 가설이라 그러거든요.

15:33
몇 년 더 미래를 보고 싶으냐에 따라 달라질 것 같은데요. 지금 이제 우주선 속도로도 예를 들어 우주 비행사들 뭐 일 년 우주 정류장에 있다. 오시는 분들 뭐 있잖아요. 그런 분들의 생체 시간이 지구에 있는 분들보다 몇 초에서 몇 분 정도 느리다고 해요. 근데 그거를 이제 몇 년 스케일로 가져가고 싶으면 두 가지 방법이 있죠. 현재 존재하는 우주 정거장에 오래 계시거나 아니면 정말 빠른 우주선을 타야 되는데 빛의 속도에 가까우면 가까울수록 당연히 효과가 드라마틱하고요. 예를 들어서 빛의 속도보다 0.1배만 돼도 엄청나게 시간을 아마 단축하실 수 있을 겁니다. 일단은 여러분이 배우시는 교과서가 싹 다 바뀌어야 되고요. 물리 법칙을 다시 다 써야 되니까요? 기술 측면에서는 아무래도 통신 쪽이 가장 큰 영향을 받지 않을까 싶습니다.

16:23
제가 아까 예를 든 것처럼 통신은 지금 빛의 속도로 이제 제한이 되어 있는데, 그거보다 더 빠른 어떤 물질 아니면 어떤 것이 발견된다면 그리고 만약 우리가 그 것을 통신으로 쓸 수 있다면 더 빠른 통신이 가능하겠죠. 우주여행도 가능하겠죠. 어떤 우주선을 만든다거나 우주여행을 한다고 했을 때 그때도 이제 우리가 갈 수 있는 있는 최대한 빠른 속도는 광속이기 때문에 예를 들어서 우리가 먼 천체로 갈 때 몇 광 년 걸린다고 이제 보통 표현을 하잖아요. 근데 만약에 더 훨씬 빠른 물체가 생긴다면 우주여행의 시간도 좀 더 단축이 돼서 어 인류가 좀 더 넓은 우주를 탐험할 수도 있게 되겠죠.