어린이과학동아&수학동아 기사

안녕하세요? 김규민 기자입니다. 여러분은 ‘시간 여행’이 가능하다고 생각하나요? 아니면 불가능한 일이라고 생각하나요?

‘시간 여행’은 많은 소설과 영화 등에서 많이 등장하는 소재인데요. 과연 실제로도 시간 여행을 할 수 있을지 한 번 같이 알아봅시다!

(출처: 픽사베이)

시간은 ‘어떤 시각에서 어떤 시각까지의 사이’라는 뜻으로, 미래 (앞으로 각자 살아갈 시간)와 과거 (지나간 오래된 시간)를 뜻하죠. 과거는 비록, 전부 다 기억해낼 수는 없습니다, 자신이 태어날 때를 정확히 기억하는 사람이 없듯이 말이죠. 그럼 아직 겪지 않은 일이나 기억이 잘 안 나는 과거로 갈 수 있게 만드는 이 시간 여행이란 무엇이고 그 원리는 무엇일까요?

(출처: 픽사베이)

Q. ‘시간 여행’이란 무엇인가요?

A. 위에서 나왔듯이 시간, 즉 ‘과거나 현재 그리고 미래로 이어져 머무름이 없이 일정한 빠르기로 무한히 연속되는 흐름을 타고 여행하는 것’이라고 볼 수 있습니다.

Q. ’시간 여행‘이라는 공상은 언제부터 시작됐나요?

A. ‘시간’이라는 개념은 고대 그리스 시대의 플라톤부터 조선 시대 장영실까지 많은 학자들이 탐구해 온 것은 아실 겁니다. 하지만, ‘시간 여행’의 시초는 잘 알려지지 않았는데요, 공상이다 보니, 먼 옛날부터 생각할 수 있었겠지만, 최초로 시간 여행이 세상에 알려지게 된 계기는....

영국의 공상과학 소설가 ‘허버트 조지 웰스’의 소설 <타임 머신 (The Time Machine)>입니다! 그리고 이 공상을 크게 유행시킨 것이 영화 [백 투 더 퓨처 (1985년)] 시리즈라고도 할 수 있을 것 같네요.^^

Q. 시간 여행은 어떻게 하는 건가요?

A. 시간 여행은 그에 따른 조건만 정확히 갖춘다면 언제나 시간 이동은 가능합니다. 하지만, 이 기사에서는 빛의 속도, 웜홀, 중력으로 인한 ‘시간지연효과’에 대한 글만 썼죠.

-영국의 공상과학 소설가 ‘허버트 조지 웰스’의 작품 <타임 머신 (The Time Machine)>의 표지

(출처: 위키백과)

<아인슈타인의 특수상대성 이론-시간지연효과>

1. 빛의 속도

아인슈타인의 특수상대성이론은 시간 여행을 하기 위해서는 빛의 속도만큼이나 움직이는 물체가 빠르면 빠를수록 그 대상의 시간은 느리게 흐른다는 것임을 증명했습니다. 아인슈타인의 특수상대성이론이 발표되기 전에는 사람들이 ‘시간은 절대적’이라고 믿었으나, 움직이는 물체의 속도는 절대적인 것이 아니라 보는 사람에 따라 달라지는 상대적이라는 것이 알려지게 되었던 순간이었죠. 그러니, 아무리 초속 빛의 속도로 이동을 해도, 빛의 속도를 따라잡는 것은 절대 불가능하다는 말이라고 할 수 있습니다. 분명히 방금 전에는 빛의 속도가 상대적인 것이라고 했는데, 왜 그 빛의 속도와 같이 갈 수는 없는 걸까요?

그 이유는 ‘빛은 언제나 앞으로 나아가는 성질’을 가졌기 때문에, 빛의 속도에 도달했다고 해도 빛과 같이 따라잡을 수는 없는 것입니다! 즉, 빛은 절대불변하기 때문이고, 이를 ‘광속불변의 법칙’이라고 부릅니다. 그러니, 빛은 절대불변이기 때문에, 바뀌는 것은 ‘시간’이 되는 것이죠!

이를 식으로 풀이해보면, ‘속도=거리/시간 (속도=거리 나누기 시간), 즉 시간과 거리가 비례하기 때문에 ’시간=거리/속도 (시간=거리 나누기 속도)‘ 라고 할 수 있습니다. 이 공식은 ’광속불변의 법칙‘을 증명해낸 식이죠. 예를 들자면, 타임머신을 타고 빛의 속도에 이르게 된다면 타임머신의 시간은 상대적으로 늘어나게 되어, 시간은 거의 멈춘 것과 다른 바가 없다고 할 수 있습니다. 그렇게 나의 시간은 미래로 향하게 되는 것이죠!

-시간 여행 (빛의 속도)에 대한 실험 1 By. 스티븐 호킹-

영국의 이론물리학자 ’스티븐 호킹‘이 이를 증명하기 위해 2009년에 다음과 같은 실험을 했습니다, 바로 시간 여행자를 초대하는 파티를 여는 것이지요.

시공간의 정확한 좌표가 적힌 초대장을 수십 년간 그대로 두어서, 미래의 여행자들이 볼 수 있도록 한 것이죠. 물론, 여기에서 이 초대장이 중간에 없어지거나 사라지게 된다면 예외가 있겠지만, 그 점은 미래로써 아무도 알 수가 없다고 할 수 없었습니다. 하지만, 스티븐 호킹은 그 점을 그 초대장이 미래까지 가기를 바라며, 초대장에 쓰여 있는 시간이 될 때까지 기다렸습니다. 과연 결과는 어땠을까요? 미래의 시간 여행자가 왔을까요?

결론은 아무도 오지 않았고, 몇 분이 지나도 파티장은 텅 비었습니다, 그렇게 스티븐 호킹은 초대장이 그대로 있었다는 가정하에 미래 시간 여행자가 과거로 올 수 없었다는 이유를 3가지로 간추릴 수 있었습니다.

첫 번째, 시공간의 휨이 가능하다 해도 오직 미래로 여행하는 것만 가능하기 때문입니다. 이는 위에서 설명했듯이, 시간 여행을 한다면 지금의 시간에서 오로지 자신만의 시간이 느리게 흐름으로써 원래 (현재)의 시간만 흐르니, 미래로 갈 수 밖에 없었던 것이죠.

하지만, ’웜홀‘이라는 개념을 통해서 과거로 갈 수는 방법이 있다는 합니다. 웜홀은 ’우주 공간에서 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 통로라는 의미로 제안된 이론상의 개념‘이라는 뜻인데, 웜홀의 뜻만으로는 어려우니, 예시를 들어보도록 하죠.

자기 자신이 웜홀을 통해 시간 여행을 한다고 하면, 다른 시간 즉 과거나 미래에 따른 다른 공간의 자기 자신을 만날 수도 있는 거죠, 이 현상은 시간 여행 영화에서도 많이 볼 수는 현상이죠!

두 번째, 과거로 시간 여행이 가능하다고 해도 과거의 역사를 바꿀 순 없다는 것입니다. 이는 시간 여행에 대한 영화나 소설에서도 많이 나오는 대표적인 공상으로, 과거를 왜곡하면 현재나 미래까지도 영향을 끼칠 수 있다는 점입니다.

전과 같이 웜홀로 예시를 들어보죠, 현재의 자신이 웜홀을 통해 과거의 자신에게 총을 발사하면 과거의 자신도 죽겠죠. 그럼 현재의 자신 또한 그 누구도 자신에게 총을 발사하지 않았지만, 죽게 되는 것이지요. 그렇게 되면 미래 또한 변형이 일어날 수가 있습니다. 이는 앞 뒤가 말이 안 되는 모순이기에, 시간에서의 개념으로는 이를 ’패러독스‘라고 부릅니다.

세 번째, 우주에는 다중의 역사가 존재한다는 것입니다. 이는 ’다중우주‘가 존재하는 경우에 가능한 일이죠. 그러니, 우리의 우주는 하나가 아니라 여러 개의 우주로 나눠져 있다는 것이지요. 이게 과연 무슨 말일까요? 우주는 끝이 없는 공간인데, 우주가 여러 개라는 게 무슨 말일까요?

듣기만 해도 말이 안 되고 어렵지만, 사실상 틀린 말은 아닙니다. 1917년, 아인슈타인은 우주의 크기는 변하지 않고 우주는 유한하다고 믿었고, 당시 과학계는 명성이 높았던 아인슈타인의 말에 수긍하였죠. 그런데, 1929년 미국의 천문학자 ’에드윈 허블‘은 은하와 은하의 거리가 점점 멀어지고 있다는 것을 최초로 관측하게 됩니다, 즉, 우주는 팽창하다는 것을 알게 된 것입니다. 즉, 아인슈타인의 실수를 발견하게 되는 드문 일이죠. 빅뱅의 이론을 통해 우주의 탄생과 팽창에 대해서는 알 수 있으나, 우주가 왜 팽창하는지는 알 수가 없습니다. 그래서 다중 우주는 도대체 어떻게 발생하게 된다는 것일까요?

스탠퍼드 대학의 이론물리학자 ’안드레이 린데‘의 생각으로 ’다중우주이론‘이 시작되었다고 합니다. 다중우주이론은 우주의 특정 부분이 팽창해서 또 다른 우주가 생겨나게 하고, 그 우주도 또 다른 우주를 생겨나게 하며, 이 과정이 무한 반복된다는 이론이라고 합니다!

-다중우주이론 상상화

(출처: Daum 백과)

2. 중력

타임머신 (웜홀)을 타고 빛을 발하는 경우 빛은 항상 직선운동만 하기 때문에, 중력이 강해도 빛은 휘어지지 않습니다. 그럼 빛이 휠 수 없다면 무엇이 휘었을까요?

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면, 흰 것은 바로 ’공간‘이라는 것을 알 수 있습니다. 중력이 우리를 끌어당기는 것이 아니라 질량이 만든 공간의 휘어짐이 우리를 잡아당긴다는 것인데요. 그러니, 질량이 큰 태양 주변의 공간은 다른 행성들보다 더욱 더 휘어지게 된다는 것을 알 수 있습니다.

-중력에 따른 빛의 방향

(출처: 아인슈타인의 특수상대성이론과 일반상대성이론 : 네이버 블로그 (naver.com))

-시간 여행 (중력)에 대한 실험 2 By. 에딩턴-

영국의 천문학자 ’아서 스탠디 에딩턴‘이 태양의 중력장에 의해 빛이 휘는 정도를 측정하여 아인슈타인의 이론을 실험적으로 검증하고자 실험을 하게 되죠.

에딩턴은 1919년 일식이 일어나는 동안, 태양 주위의 별들의 사진을 찍었습니다. 아인슈타인의 이론에 따르면 태양 근처를 지나는 광선은 태양의 중력장의 영향으로 휘어지기 때문에, 그것을 내보내는 별들은 실제 위치보다 살짝 이동되어 보여야 했습니다. 태양이 가려지지 않을 때에는 태양의 빛이 이러한 광선을 내놓는 별들의 빛을 불분명하게 만들기 때문에 이 효과는 오직 개기일식 때에만 관측할 수 있었기에, 에딩턴은 이를 이용했다고 합니다. 그렇게, 빛이 그 공간을 따라 휘어지면서 태양 뒤에 있는 별을 관측할 수 있게 되었고, 아인슈타인의 이론 또한 증명된 것입니다!

위 아인슈타인의 빛의 속도 관련 특수상대성이론 외에도 일반상대성이론까지도 어린이과학동아의 연재 만화 ’과학자 한풀이 대작전-아인슈타인 편‘에서도 자세히 접할 수 있으며, 중력 관련 시간 여행들까지도 시간 여행 SF 영화들을 보며 다시 한 번 더 재미있게 알아가봐도 괜찮을 것 같네요!

만약, 타임 머신이 발명된다면 자신의 기억이 잘 안 나거나 후회되는 과거로도, 아직 아무도 겪어 보지 못한 미래로도 이동을 할 수 있다면 여러분은 어떻게 할 건가요? 비록, 지금까지는 한 번도 시간 여행은 이루어진 바가 없지만, 이미 시간 여행의 원리도 알고 있으면 언젠가는 실제로 시간 여행을 할 수 있는 기회가 오지 않을까요? 어쩌면, 지금 이 기사를 읽고 계시는 분들도 지금의 저에게는 미래라고 할 수 있겠네요.^^

그럼 이상, 김규민 기자였습니다. 감사합니다!