어린이과학동아&수학동아 기사

오늘이 크리스마스지요(이 글이 발표될 쯤에는 아니겠네요)! 크리스마스하면 산타클로스입니다. 산타클로스가 선물을 준다는 오래된 전설은 아직까지 남아 있죠. 그런데, 산타는 실제로 존재할 수도 있습니다! 정말 까다로운 몇 개의 조건만 통과한다면 말이지요.

1. 산타의 기원

산타의 기원은 성 니콜라우 주교입니다. 성 니콜라우 주교는 부유하게 태어나 고등 교육을 받으셨지만 상속받은 재산을 모두 자선에 쓰셔서 돌아가셨을 때도 성유가 나와 여러 병든 환자들을 치료해주었다고 합니다. 그런데, 여러 설화 중 성 니콜라우 주교께서 너무 가난해서 집을 팔고 결혼도 못하게 될 가족에게 금덩이를 넣어주었다고 하는 설화가 있었습니다. 이것을 대중적인 이미지와 결합해 산타 클로스의 현대 모습이 만들어집니다. 그리고 엘프들이 만들어지며 서식지도 북극 으로 바뀝니다.

2. 산타가 존재할 수 있는 과학적 형태

일단, 어느 계산에 따르면 산타는 초속 3000km, 즉 빛의 속도의 1%, 그러니까 달을 2분만에 갈 수 있는 미친 속도로 달려야 된다고 합니다. 그러면서 건물을 파괴 안할 수가 없겠죠? 그다음에 관성의법칙으로 그만큼 달리지도 못합니다. 뮤온은 무려 이론상 최대 30만km 조금 안되는 속도라는 엄청난 속도로 이동(엄연히는 "순간이동"하는데 조금 이따가 설명하겠습니다.). 뮤온의 생존시간은 단 2초이지만 상대성 이론으로 시간이 연장되서 지구까지 닿습니다. 이 얘기는 조금 있다가 하고, 어떻게 산타가 그렇게 움직일 수 있을까요?

방법은 바로 양자화입니다. 위치에너지는 mgh이므로 질량이 극도로 작아지면 조금만 에너지를 들여도 빠르게 이동할 수 있습니다. 이것은 앞의 뮤온의 예시와 같습니다. 그리고 양자화되면 건물을 모두 파괴하는 것도 방지할수 있숩니다. 문제는 그것이 너무 작다는 것입니다. 모든 양자가 뭉쳐 마법처럼 선물을 배달해야 됩니다.선물도 다 같이 양자회되는 겁니다. 그런데 벽, 콘크리트에는 아주 조그만한 양자 사이의 틈이 있죠. 이곳으로 양자가 이동한다면 마법처럼 벽을 그냥 통과할 수 있습니다(이것을 양자 터널링이라고 합니다). 그리고 빠르게 할 필요가 없죠. 일정 이상의 양자 준위에 도달하면 보어 원자 간격 사이를 그냥 순간이동합니다. 또한 정보도 양자얽힘을 통해 장거리 순간이동이 가능합니다. 얽힘되있다는 것은 스핀 두 개가 같을 수 없다는 것입니다. 그렇다면 두 전자가 아무리 멀리 이동해도 그렇죠. 그러면 4광년 떨어져 있는 프록시마 센타우리에서 이곳까지 빛으로 정보를 보내면 4년이 걸립니다. 그런데 이곳에 양자가 하나 있고 지구에 하나 있지만, 그 두개는 얽힘되어 있다고 해봅시다. 그러면 한쪽이 확인된 순간 그 순간에 즉시 프록시마 센타우리의 전자의 상태가 결정됩니다. 하지만 무엇이든지 빛보다는 빠를 수 없다는 법칙에 위반됩니다.(이 부분은 여전히 양자역학에서 논쟁거리입니다.) 그렇게 해서 속도도 3000km가 아니라 그냥 30만 km로 가기 때문에 가능합니다. 

또 문제가 있습니다.산타할아버지는 어떻게 선물을 나눠주는 걸까요? 이론상 선물이 벽을 뚫고 "정확히"다시 결합해야 합니다. 가능은 하지만 고도의 정확한 장비가 있어야 됩니다. 그리고 그렇게 빨리 순간이동하면 전자는 어떻게 얽히게 할까요? 이건 어떨까요? 북극(산타 서식지)에 산타 본부가 있고, 그쪽에서는 양자들을 계속 생성하는 겁니다. 그러고 드론을 날리는 거줘. 그리고 고도의 정확한 장치로 선물이 콘크리트를 양자터널링하도록 한 다음, 본부로 돌아오는 겁니다. 남극까지 가면 시차까지 계산해주면 목격이 불가능합니다. 저는 이것이 가장 설득력 있다고 생각합니다. 쓰다 보니까 산타가 아니라 그냥 양자네요. 그래도 여전히 문제가 많습니다.

도대체 산타는 어떻게 그 어마어마한 비용은 어떻게 대는 걸까요? 하나씩 만들면 자원은 어디에서 구할까요? 땅으로 간다면 산타는 왜 들키지 않을까요? 북극으로 선물을 보내달라고 하면 믿을까요? 아이들은 해마다 늘어나는데 수는 어떻게 맞을까요? 배송사고가 난다면 어떻게 될까요? 편지는 누가 만드나요?편지는 누가 읽나요?애초에 산타 클로스는 왜 그런 짓을 할까요? 산타 클로스는 살아 있을까요?산타 클로스가 하는 일은 뭔가요?(드론들이 일을 다 하지 않나요) 그래도 이런 어려움을 뚫고 산타가 어찌저찌 뚫는다고 칩시다.

마지막으로 농담 겸 이야기를 꺼내겠습니다. 최근 산타가 여러 범죄에 연루되어 있다는 것이 밝혀졌습니다. 야간 주거 침입죄, 무면허 썰매 이용죄, 영공 무단 침입죄, 저작권 침해죄 등이 해당됩니다. 물론 우스갯소리고 산타를 실제로 체포하는 것도 만무할 뿐더러 애초에 만든 목적도 우스갯소리입니다.

이렇게 산타에 대해 알아보았습니다. 감사합니다