Owl's Review_ 파도행성의 3시간이 지구의 23년이라는게 정말 가능할까?

 

 

쿠퍼는 우주로 떠나기 직전 딸에게 이렇게 얘기합니다.

...

 

쿠퍼가 딸을 다시 만났을 때는

딸은 아빠보다 더 늙어버린 모습인데요.

이게 도대체 어떻게 된 일일까?

 

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면

움직이는 물체의 속도가 빠르면 빠를수록

시간은 느리게 흐른다고 합니다.

 

그렇다면 어째서 속도가 빠르면 빠를수록

시간은 느리게 흐르는 걸까?

 

 

-1. 특수상대성이론

 

특수상대성이론에 따르면

속도는 절대적인 것이 아니라

상대적인 것입니다.

 

지금부터 아인슈타인의 몇 가지 사고 실험을 보여드리겠습니다.

 

여기 시속 50km로 움직이는 승용차가 있습니다.

그리고 뒤에는 시속 100km의 속도로 다가오는 오토바이가 있죠.

승용차 운전자가 오토바이를 봤을 때는

시속 50km로 움직이는 것처럼 보입니다.

이 승용차 앞에 트럭이 있다고 칩시다.

이 트럭은 승용차하고 같은 속도 시속 50km의 속도로 달리고 있죠.

승용차 운전자 입장에서 이 트럭을 봤을 때

트럭은 마치 정지해 있는 것처럼 보입니다.

 

이것들을 길가에 가만히 서 있는 부엉이 입장에서 보면 어떨까요?

이 승용차는 시속 50km로 움직이고

트럭도 역시 시속 50km로 움직이고

오토바이는 시속 100km로 움직이는 것처럼 보이겠죠.

 

이렇게 특수상대성이론에서 움직이는 물체의 속도는

절대적인 것이 아니라

보는 사람에 따라 달라지는 상대적인 것입니다.

 

 

-두 번째 아인슈타인의 사고 실험

빛은 초속 30만km로 이동합니다.

부엉이가 만약에 빛의 속도로 날 수 있다면

빛을 따라잡을 수 있을까?

빛 위에 올라탈 수 있을까?

 

특수상대성이론에 따르면

빛의 속도를 따라잡는 건 절대 불가능합니다.

“아니 뭐야.. 아까 전에 속도는 상대적인 거라며

그럼 만약에 부엉이가 빛의 속도로 날면은

빛이랑 나란히 날아야 되는 거 아니야?”

 

특수상대성 이론에서 빛은

내가 시속 50km로 달리든, 100km로 달리든

빛과 반대 방향으로 달리든 상관없이

언제나 초고속 30만 km로 움직인다고 합니다.

 

빛은 언제나 앞으로 나아가는 성질을 가졌기 때문에

심지어 내가 빛의 속도에 도달했다고 해도

내가 빛의 방향하고 반대로 달린다고 해도

빛은 언제나 초속 30만 km의 속도로 도망간다.

 

즉 빛의 속도는 절대 불변하며

우리는 무슨 짓을 해도 빛을 따라잡지 못한다.

빛과 나란히 날지 못한다.

빛을 손으로 잡을 수 없다.

이것이 바로 광속 불변의 법칙입니다.

 

롤에서 쉔이 이런 대사 치는 거 기억나시죠?

“빛이 그렇게 빠르다면

왜 한 번도 닌자를 따라잡지 못하는 거지?”

 

이거를 아인슈타인이 들었으면 무덤에서 펄쩍 뛰었을 거예요.

말도 안 되는 중2병 대사인 거죠.

 

 

-아인슈타인의 세 번째 사고 실험.

 

아인슈타인은 같은 순간에 치는 번개가

사실은 동시에 치지 않은 것일 수도 있다고 합니다.

이게 어떻게 가능한 일일까요?

 

오른쪽으로 빠른 속도로 움직이는 우주선에 부엉이가 있습니다.

우주선 안에는 양쪽으로 빛을 방출하는 버튼이 있고

버튼을 눌러서 양쪽에 빛이 도달하면

신호가 켜집니다.

 

이 실험을 우주선 안에서 해보면

신호는 동시에 울립니다.

우주선이 얼마나 빠르게 움직이든 간에

빛의 속도는 언제나 같기 때문이죠.

 

그런데 똑같은 실험을 우주선 밖에서

정지한 상태에서 지켜보면

실험 결과는 달라집니다.

왼쪽 신호기가 먼저 울리고

오른쪽 신호기가 나중에 울리죠.

 

왜 이런 현상이 벌어지는 걸까요?

우주선 밖에서 정지해 있는 사람의 속도는 0입니다.

빛의 속도 역시 정지해 있는 사람 기준으로

초속 30만 km로 이동하지만

우주선은 오른쪽으로 빠르게 움직이기 때문이죠.

 

이처럼 지구에서 번개가 동시에 쳤다면

이걸 지구에서 바라보면 분명히 번개가 동시에 쳤을 겁니다.

하지만 지구 밖에서 정지해 있는 상태에서 번개가 치는 걸 지켜본다면

번개는 동시에 치지 않습니다.

 

왜냐?

지구는 시속 1670km로 자전 중이고

약 10만 7천km의 속도로 공전하기 때문이죠.

 

이 모든 현상은

빛의 속도는 절대 불변이기 때문입니다.

 

그렇다면 무엇이 변했을까?

변한 건 바로 시간입니다.

 

 

--아인슈타인의 네 번째 사고 실험

빠르게 이동하는 물체의 시간은 느리게 흐른다.

 

여러분들 이제 거의 다 왔습니다.

조금만 참으시면 됩니다.

 

이번에도 오른쪽으로 빠르게 이동 중인 우주선 안에

부엉이가 있습니다.

우주선 안에 1m짜리 광자 시계를 세워두고

빛은 1초마다 막대 끝으로 이동한다고 가정해 보죠.

 

우주선 안에 부엉이가 봤을 때

막대 속의 빛은 7초 동안 7m를 이동했습니다.

 

이 똑같은 실험을 우주 밖에서

정지한 상태로 있는 부엉이가 지켜본다고 하죠.

이때 이 빛의 움직임은 우주선 안에서 봤을 때하고는 다릅니다.

 

우주선은 오른쪽으로 빠르게 움직이고 있기 때문에

빛은 수직이 아닌

지그재그 방향으로 움직이는 걸로 보입니다.

 

이 선을 쫙 펴보면 7m가 아닌 11m.

똑같은 사고 실험으로 시간을 재보죠.

우주선 안에서는 7초가 흘렀지만

밖에서는 11초가 흘렀습니다.

즉 움직이는 물체의 속도는 더디게 흐른다는 겁니다.

 

똑같은 현상을 수식으로도 표현이 가능합니다.

속도= 거리/시간

즉, 시간= 거리/속도

 

우주선 밖에서 우주선 안에 있는 빛을 관찰했을 때

빛이 움직인 거리는 7m에서 11m로 늘었습니다.

 

공식에서 빛의 속도는 절대 불변이라고 했으니

바꿀 수 있는 건 시간밖에 없죠.

즉 시간이 늘어났다.

 

공식에 따라서 우주선이 빠를수록

우주선의 시간은 상대적으로 늘어나고

빛의 속도에 이르게 되면

시간은 거의 멈춘 걸로 보일 겁니다.

미래로 갈 수 있는 타임머신이 되는 셈이죠.

 

자, 이게 바로 아인슈타인의 특수상대성이론

빛의 속도는 절대적이고, 시간은 상대적이다.

너와 나의 시간은 다르게 흐른다.

 

 

--이제 마지막 사고 실험입니다.

이번에는 부엉이가 타고 있던 우주선을

빛의 속도로 5광년 거리에 있는 별로 보내봅시다.

 

그러면 대충 생각대로라면은 도착하는 데 5년이 걸리겠죠.

그런데 우주선이 빛의 속도에 가까우면

시간이 정말로 천천히 지나기 때문에

실제로 걸린 시간은 1년이라고 가정해 봅시다.

 

이때 우주선 안에 부엉이는

시간이 느려졌다는 걸 감지할 수가 없습니다.

도착했을 때 이 부엉이는 엉리둥절하겠죠?

“뭐냐? 왜 4년이나 일찍 도착했냐?”

 

부엉이의 체감 시간엔 변함이 없는데

예정보다 일찍 도착하려면

거리가 줄어드는 방법밖에 없습니다.

 

이 부엉이에게 있어서는

공간이 수축하면서 이동 거리 자체가 짧아진 거죠.

 

아인슈타인은 이 때문에

시간이 느려지면 동시에 공간이 줄어든다고 했습니다.

 

아인슈타인은 도대체 이딴 걸 어떻게 생각한 거지?

그것도 26살에

나는 26살에 뭐 하고 있었냐?

 

그런데 쿠퍼의 시간이 느리게 간 이유가

정말로 속도 때문이었을까?

쿠퍼는 파도행성에 단 2시간밖에 안 있었는데

흑인 연구원의 시간은 어째서 25년이나 흘렀을까?

 

아인슈타인의 일반상대성이론

중력이 강할수록 시간은 느리게 흐른다.

 

다음 콘텐츠는 <인터스텔라>로 알아보는 일반상대성이론입니다.