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[핵잼 사이언스] 광속으로 달리는 빛은 시간을 어떻게 느낄까?

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▲ 빛의 속도에 가까이 빠르게 방출되는 블랙홀의 제트 이미지. 물체가 빛의 속도에 도달하면 시간이 매우 이상하게 변한다.(출처= NASA/JPL-Caltech)

빛은 시간을 어떻게 느낄까? 빛도 우리처럼 늙을까? 이에 대한 물리학자의 흥미로운 칼럼이 16일(현지시간) 우주전문 사이트 스페이스닷컴에 발표되었다. 아래의 기사는 해당 칼럼을 약간 손질하여 소개한 것이다.

움직이는 시계의 시간은 느리게 간다. 우주에서 더 빨리 움직일수록 시간은 더 느리게 간다. 이것은 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 밝힌 가장 놀라운 결과 중 하나이며, 시간과 공간의 기묘한 관계를 시각화하는 하나의 방법이다.

이 ‘시간 지연’ 의 효과는 보통 일상생활에서는 전혀 느낄 수 있는 것이 아니다. 실생활에서는 우리와 관련된 어떤 것도 초속 30만㎞인 광속과는 비교될 수 없을 정도로 느리기 때문이다. 그러나 물체가 일단 빛의 속도에 가까워지면 시간이 조금 이상해지기 시작한다. 이른바 시간 지연 현상이 나타나는 것이다. ​

이 ‘시간 지연’이 우리의 실생활에 작용하고 있는 부분이 실제로 있다. 바로 차량의 내비게이션이 그것이다. 내비게이션에 위치 정보를 보내주는 인공위성은 초속 4㎞로 빨리 움직이므로 특수상대성 이론에 따라 하루에 7마이크로초(1μs=100만분의 1초) 씩 시간이 느려진다. 이 시간에 빛은 40m 이상을 달린다. 이 정도 위치 오차가 생기면 내비게이션은 아무짝에도 쓸모없게 된다. GPS가 매일 그만한 시간 지연과 함께 일반 상대성 이론에 따른 중력 관련 오차를 수정해주기 때문에 지상에서의 위치를 정확하게 추적할 수 있는 것이다.

이처럼 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 시간은 느리게 간다. 특수 상대성에 따르면 우주에서 빛보다 빠르게 움직일 수는 없다. 우주에서의 제한속도는 바로 광속인 셈이다. 그렇다면 광속으로 달리는 빛 자체는 어떨까? 빛은 시간을 전혀 못 느낄까?

시간과 공간의 관계에 대한 우리의 지식은 특수 상대성 이론에 기초하고 있다. 이 이론은 모든 종류의 놀라운 결과를 산출하지만, 알고 보면 아주 간단한 아이디어에 기초를 두고 있다. 가장 중요한 것은 물리 법칙의 보편성에 대한 개념이다. 일반적으로 한 관찰자에게 일어나는 일은 다른 관찰자에게도 그대로 일어난다는 것을 의미한다. 맥스웰의 방정식은 빛의 속도가 일정하다고 말한다. 어떤 속도로 움직이든 모든 관찰자에게 빛은 일정한 속도로 측정된다는 뜻이다.

그래서 특수 상대성에 대한 우리의 지식을 빛에 적용할 때, 우리는 약간의 어려움을 겪는다. “빛이 어떻게 시간을 느낄까?”라는 질문에 답을 찾으려면 당신은 빛을 타고 달리는 기준계에 자신을 넣어야 한다. 그러면 그 기준계에서 볼 때 당신에게 빛은 고정되어 있는 것처럼 보일 것이다. 사실 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 쓰게 된 것도 어린 시절 빛을 타고 달린다면 어떻게 될까 하는 상상에서 비롯된 것이었다.



그러나 이 같은 상황은 물리 법칙에 의해 허용되지 않는다. 따라서 빛과 함께 타는 그러한 기준계는 존재할 수 없다. 그리고 기준계가 없으면 특수 상대성 이론이 무너진다. 특수 상대성 이론이 없으면 공간과 시간의 관계를 측정할 방법이 없다. 그렇다면 이 모든 뒤틀림의 최종 결과는 무엇일까? 빛은 시간을 거의 느끼지 못한다는 것이다. 우리의 시간 개념은 빛에 적용되지 않는다. 빛은 시간을 모른다. 빛은 늙지 않는다.

이 글을 쓴 필자 폴 M. 서터는 미국 오하이오 주립대학의 천체물리학자이다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com 

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