비행기에서 더 느리게 늙어가는 이유(그리고 다른 믿을 수 없을 만큼 이상한 상대성 이론의 효과)

아인슈타인은 빠르게 날 때 시간이 느려진다는 점을 정확하게 예측했지만, "시간 팽창"을 가장 극적으로 경험하려면 블랙홀로 여행해야 한다고 천체물리학자 크리스 린토트(Chris Lintott)가 말했습니다.

 

내가 가장 좋아하는 과학 실험 중 하나는 시계 4개를 타고 세계를 두 번 비행하는 것과 관련됭 것이었습니다. 1970년 물리학자 Joseph Hafele와 Richard Keating은 상업용 제트기에 3천만 년에 1초도 채 남지 않는 원자시계를 가지고 지구를 먼저 서쪽으로 비행한 다음 동쪽으로 비행한 후 워싱턴 DC에 있는 실험실로 돌아왔습니다. 그곳에서 그들은 여행을 많이 한 시계의 시간을 고정된 시계 세트와 비교했습니다. 놀랍게도 시계는 서로 일치하지 않았습니다. 여행이라는 행위가 시간의 흐름을 바꾸는 것처럼 보였습니다.

 

이번 실험은 시간은 보편적이지 않다는 아인슈타인의 상대성 이론의 핵심 원리를 시험한 것이었다. 빠르게 여행할수록 시간은 더 느리게 흐릅니다. 그 효과는 미미합니다. 런던에서 뉴욕까지 대서양 횡단 비행을 하면 시계가 지상에 놓인 시계보다 1천만분의 1초 뒤쳐지게 됩니다. 그럼에도 불구하고 그대로 머물렀을 때보다 훨씬 더 천천히 노화될 것입니다. 집에서 그리고 Hafele와 Keating의 시계는 그것을 측정할 수 있었습니다. 

상대성이론에 대한 또 다른 예측은 중력도 영향을 미친다는 것입니다. 지구의 중력에서 멀어지면 시간이 빨라집니다. 이것은 우리 몸에 영향을 미칩니다. 즉, 머리가 발보다 약간 더 늙었다는 의미입니다. 다시 한번 말씀드리지만, 그 효과는 믿을 수 없을 정도로 작지만 지구에서 더 먼 거리에 있을수록 중요해집니다. 지구 위 20,000km(12,400마일)위레 있는 위성을 사용하여 우리 모두가 항법에 의존하는 GPS 시스템이 제대로 작동하려면 이 점을 고려해야 합니다.

 

이러한 현상에도 불구하고 지구는 결국 큰 우주 속의 작은 행성일 뿐입니다. 중력이 다른 어떤 행성보다 작아지는 거대한 물체인 불랙홀 주변에서는 이러한 상대론적 효과가 훨씬 더 뚜렷해집니다.

 

이유를 이해하려면 블랙홀을 향해 떨어지는 것을 상상해 보십시오.(우리는 당신이 블랙홀에 너무 가까이 접근하는 모든 것에 발생하는 종말 스트레칭인 "스파게티화"의 고통스러움 효과로부터 당신을 안 전하게 지켜주는 마법의 우주선에 있다고 가정합니다.)

 

넘어지면 자신이나 주변 환경의 시간 차이를 느끼지 못할 것입니다. 시계를 보거나 맥박을 느끼면 거의 확실한 파멸에 가까워지는 매 순간마다 똑같은 꾸준한 박동을 느낄 것입니다. 하지만 우주선의 장비를 사용하여 블랙홀 외부의 우주를 다시 관찰할 수 있다면 이상한 점을 발견할 수 있습니다. 외부에서 일어나는 사건의 속도가 빨라지는 것처럼 보일 것입니다. 망원경을 통해 지구를 볼 수 있다면 우리 행성과 생물종의 미래가 마치 영화처럼 흘러가는 즐거움을 선사할 것입니다. 만약 여러분이 텔레비전 신호를 포착할 수 있다면, 비록 빠른 속도이기는 하지만 태양이 적색 거성으로 진화하여 행성을 삼킬 때까지 인류의 나머지 방송을 시청할 수 있을 것입니다.

 

이제 관점을 전환해 보세요. 당신이 블랙홀로부터 안전하 거리에서 궤도를 돌고 있는 우주정거장에 있다고 상상해 보세요. 당신의 용감하거나 불행한 동료가 추락하는 것을 지켜보세요.

블랙홀의 가장자리는 사실 사건의 지평선입니다. 빛의 속도로 여행하는 것은 탈출할 수 없으며, 멀어지는 친구가 이 지점에 도달한 다음 사라질 것이라고 예상하는 것이 합리적으로 보입니다. 여러분이 실제로 보게 될 것은 더 이상합니다. 만약 그들이 우리에게 손을 흔들고 있다면, 우리는 그들이 블랙홀의 중력 우물 속으로 더 깊이 들어갈수록 점점 더 느리게 흔들리는 것을 보게 될 것입니다. 우주선 외부에 장착된 시계는 우리 정거장에 안전하게 설치된 시계에 비해 느리게 작동하는 것처럼 보입니다.

 

이 효과는 블랙홀 근처 행성을 탐험한 우주 비행사들이 증장하여 그들 없이도 변화된 우주를 발견하는 영화 인터스텔라에서 활용됩니다. 영화가 분명이 밝히듯이, 블랙홀 근처로 지나가는 시간이 "정확한" 시간인지, 아니면 멀리 흐르는 시간이 맞는지 묻는 것을 의미가 없습니다. 상대성 이론은 그런 것이 없다고 말해준다.

 

우리는 이것을 외부에서 볼 수는 없지만, 우리의 불운한 여행자는 결국 블랙홀의 사건 지평선, 즉 빛이나 다른 어떤 것도 탈출할 수 없는 경계를 건너게 될 것입니다. 이것은 돌아올 수 없는 지점이며, 그 지점을 넘어서면 여행자는 블랙홀의 중심을 향해 강제로 이동하게 됩니다. 이는 시간에 대한 그들의 경험이 근본적으로 바뀔 수 있고 시간을 앞뒤로 이동할 수도 있다는 것을 의미합니다.

 

왜 그렇습니까? 일상생활에서 블랙홀 밖에서 안전하게 우리는 3차원 공간에서는 원하는 대로 이동할 수 있지만 4차원인 시간에서는 끊임 없이 앞으로 이동해야 합니다. 그러나 블랙홀의 사건의 지평선 내에서는 상황이 거꾸로 진행됩니다. 내부에서 우주비행사는 블랙홀의 중심을 향해 끊임없이 우주를 여행해야 합니다. 이는 일부 사람들이 시간에 맞춰 이동할 수 있다고 생각한다는 것을 의미합니다.

 

이런 의미에서 블랙홀은 타임머신처럼 작용할 수 있어, 들어갈 만큼 용감한 사람이라면 누구나 사건의 지평선을 넘기 훨씬 전, 블랙홀 자체가 생성되기 전의 시간으로 돌아갈 수 있습니다.

 

유일한 문제점은 우리가 아는 한 블랙홀에서 나갈 수 있는 방법이 없기 때문에 미래에서 온 시간 여행자가 이 트릭을 사용하여 여기 지구 표면에 있는 우리를 방문할 수 없다는 것입니다. 그러나 가능한 것이 무엇인지 이해하고 블랙홀이 주변의 공간과 시간을 어떻게 조작하는지 생각하면 물리학자들에게 아인슈타인 이론에 대한 가장 정확한 테스트를 제공할 수 있으며 우리가 시간이라고 부르는 것이 정확히 무엇인지에 대한 더 깊은 이해로 이어질 수 있습니다. 옆 좌석에 원자시계를 매고 세계일주를 하는 것보다 훨씬 좋습니다.

 

출처: BBC 뉴스