시간이란 무엇일까? 사람들은 옛적부터 시간에 관한 여러 현상과 사실들을 바탕으로 수많은 연구를 해왔다. 많은 사람들은 시간을 인지하기 시작한 순간부터 여러가지 이유로 시간여행을 바라왔다. 그렇다면 시간여행이란 무엇일까? 누구나 알듯이, 시간과 시간 사이를 자유자재로 오가는 것일 테다.
시간여행에는 과거로 가는 시간여행이 있고, 미래로 가는 시간여행이 있다. 인간은 누구나 시간에 얽매여 산다. 그런 인간들은 누구나 시간에 얽매이지 않을 수 있는 시간여행에 로망을 갖고, 실제로 연구한다. 이로 인해 인터스텔라, 타임머신, 백 투 더 퓨처 등 여러 영화, 소설, 만화 등이 나올 정도로 말이다. 나는 이 글에서 시간여행이 정말 가능한지를 살펴보고, 이론적으로 가능하다고 한다면 그 원리는 무엇인지에 관한 내용을 설명하겠다.
1. 특수 상대성이론
우리는 시간여행에 관해 다루기 전에 먼저 특수 상대성이론을 이해할 줄 알아야 한다. 특수 상대성이론, 혹은 특수상대론이란 광속과 비슷한 속도로 움직이는 물체들을 다루는 역학 이론이다. 특수 상대성 이론은 두 가지 가설에 기초한다.
1-1. 특수 상대성 이론이 기초한 두 가지 가설
(1) 상대성원리 - 물리학의 모든 법칙은 모든 관성 기준틀에서 동일하게 적용된다.
상대성 원리에 의하면 역학, 전자기, 광학, 열역학 등의 모든 물리 법칙이 서로에 대해 일정한 속도로 움직이는 모든 기준틀에서 동일한 수학적 형태를 가진다. 이는 뉴턴의 상대성원리를 일반화한 것으로 모든 관성 기준틀은 실험적으로 동일함을 의미한다. (2) 광속의 불변성 - 빛의 속력은 관찰자의 속도나 광원의 속도와 관계없이 모든 관성틀에서 동일한 값을 갖는다. 모든 종류의 빛은 진공에서 보통 c의 값을 나타내며, 이는 약 초속 30만 킬로미터, 정확히 299,792,458 m/s이다.
1-2. 특수 상대성 이론이 예측하는 대표적인 결과 세 가지
(1) 동시성의 상대성 : 사건의 동시성은 관찰자의 운동 상태에 의존한다.
(2) 시간의 지연 : 움직이는 기준틀의 시계는 고유시간보다 천천히 간다.
(3) 길이의 수축 : 움직이는 기준틀의 관찰자가 측정한 물체의 길이는 고유길이보다 짧다.
특수 상대성 이론에서의 시간 간격의 측정은 그 측정을 행하는 기준틀에 따라 다르다. 어떤 기준틀에서 동시에 일어난 사건이 이 기준틀에 대해 등속으로 움직이는 다른 기준틀에서는 동시에 일어나지 않는다. 즉, 동시성은 절대적 개념이 아니며 관찰자의 운동 상태에 의존하는 개념이다. 움직이는 기준틀의 시계는 고유시간보다 천천히 간다. 이를 시간지연이라 하는데, 이에 관해서는 밑에서 설명하겠다. 또한 물체에 대해 움직이는 기준틀에 있는 관찰자가 측정한 물체의 길이는 항상 고유길이보다 짧다. 이를 길이 수축이라 한다.
2. 시간지연
빠르게 달리는 자동차 안에서 경수가 컵을 떨어뜨렸다. 경수가 보기에 그 컵은 위에서 바로 아래, 일직선으로 떨어졌다고 느끼겠지만, 이를 밖에서 보고 있던 정지한 철수는 컵이 사선으로 떨어졌다고 느끼게 된다. 이때 경수와 철수가 느낀 컵이 이동한 거리는 서로 달라지게 된다. 비교적으로 경수가 느낀 컵의 이동거리가 철수가 느낀 컵의 이동거리보다 짧아지게 된다는 것이다. 이때 거리 = 시간 * 속력이다. 떨어지는 컵의 속력은 변하지 않고, 경수와 철수가 느끼는 컵의 이동거리는 서로 다르므로 그 시간도 달라진다. 따라 컵이 떨어지는 동안 경수가 느낀 시간이 철수가 느낀 시간보다 짧아지게 된다. 이를 시간지연이라 한다.
시간지연이란 아인슈타인의 특수상대성 이론의 결과 중 하나로, 시간기준계가 절대적이라는 이론을 깨고 상대적 시간기준계를 제시한 이론이다. 이는 더 빠르게 움직이는 물체의 시간이 다른 물체에게 상대적으로 더 느리게 측정되는 현상을 설명해낼 수 있다. 이를 뒷받침하는 여러 예시들이 있다.
2-1. 뮤온 입자붕괴
뮤온 입자는 경 입자족 중 하나인 불안정한 입자로, 전자 또는 양전자와 중성미자로 붕괴되며 수명은 약 2 마이크로 초로 매우 짧다. 이 뮤온이 대기권 상층부에서 발생하여 지상에 도달하기 위해서는 200 마이크로 초의 시간이 걸리기 때문에 이론적으로는 지상에서 뮤온을 발견 할 수 없어야 한다.
하지만 이 뮤온이 지상까지 도달하는 것이 관측되었다. 이는 뮤온이 광속에 가까운 속도로 날아가며 시간지연 현상을 만들어내기 때문이다. 이때 지상의 관측자가 뮤온을 본다면 빠른 속도로 날아가는 뮤온의 시간은 상대적으로 느리게 흘러 뮤온의 수명이 (관측자 기준)200 마이크로 초 이상으로 증가하게 되는 것이다. 실제로 뮤온의 수명은 약 2 마이크로 초로 동일하다. 하지만 뮤온의 입장에서 본다면 특수 상대성 이론의 효과에 따라 대기권이 납작해지기 때문에 뮤온의 수명히 다하기 전에 지상에 도착할 수 있게 된다.
2-2. 원자시계
원자시계란 원자가 복사하는 주파수를 사용하여 시간간격을 결정한 시계를 일컫는다. 수소 원자나 루비듐 원자를 사용하기도 하지만 보통 세슘 원자가 복사하는 9,192,631,770Hz의 주파수를 사용한다.
이 원자시계는 1971년 물리학자 헤이펠과 키팅의 실험에서 사용되었다. 이 실험은 3개의 같은 원자시계를 사용하였다. 하나는 지상 연구소에, 하나는 지구 동쪽으로 이동하는 제트 비행기에, 나머지 하나는 지구 서쪽으로 이동하는 제트 비행기에 두고 이들의 시간을 비교하여 실험을 했다. 실험 결과 지상 연구소의 시계를 기준으로 하여 동쪽으로 이동한 제트기의 시계는 10억 분의 59초 느리게, 서쪽으로 이동한 제트기의 시계는 10억 분의 273초 더 빨리 흐른 것이 측정 되어 상대성 이론을 실험적으로 증명하는데 성공한 사례가 되었다.
2-3. 중력에 의한 시간지연
빛은 중력의 영향을 받는데, 이는 중력에 의해 공간이 왜곡되기 때문이다. 즉 빛이 등속직선운동을 하더라도 중력에 의해 공간이 휘어짐으로 인해 빛의 속도가 느려진다. 빛의 속도가 느려진다는 것은 시간이 느리게 간다는 것을 의미할 수 있다. 물체는 중력이 매우 큰 물체에 가까워질 수록 시간이 느려진다. 이로 인해 시간지연이 발생하기도 한다.
2-4. 일상에서 경험하는 시간지연
우리는 일상 속에서도 흔하게 시간지연을 느낄 수 있다. 바로 네비게이션이나 휴대폰 등에 사용되는 GPS가 대표적이다. 특수 상대성 이론에 의하면 빠르게 움직이는 물체는 시간이 느려지는데, GPS 위성은 그 영향으로 인해 매일 7 마이크로 초씩 느려진다.
두 번째로 일반 상대성 이론에 의해 중력 물체는 중앙에 가까워질 수록 중력이 커지기 때문에 시간이 느리게 흐른다. GPS 위성은 지구 중력의 영향을 덜 받기 때문에 매일 45 마이크로 초씩 빨라진다.
상대성 이론에 따라 이 두 효과가 상쇄되면 GPS 위성의 시간은 매일 38 마이크로 초씩 빨라지는 것이 된다. 이 때문에 GPS 위성은 내부에 이 시간차를 자동으로 조절해주는 기계가 설치된다. 이와 동일한 이유로, 아파트 1층의 사는 사람과 20층에 사는 사람, 걸어다니는 사람과 비행기를 타고 다니는 사람의 손목시계에 나타나는 시간은 달라지게 된다.
3. 미래로 가는 시간여행
여기까지 시간지연에 관한 얘기를 끝마쳤다. 그렇다면 이제 본론으로 들어갈 차례이다. 시간여행은 가능한 건가? 간단히 얘기하자면 가능하기도 하지만, 불가능하기도 하다. 그 이유는 미래로 가는 시간여행과 과거로 가는 시간여행 중 단 하나만이 가능하기 때문이다. 그 중 가능한 것은 무엇이고 불가능한 것은 무엇일까? 결론부터 말하자면, 미래로 가는 시간여행만이 가능하고 과거로 가는 시간여행은 불가능하다.
3-1. 미래로 가는 시간여행은 가능하다.
사실을 말하자면, 우리는 미래로 가는 시간여행을 이미 일상 속에서 다수 체험하고 있다. 우리가 시속 920 킬로미터의 비행기를 타고 한국에서 하와이까지 약 8시간 동안 여행을 했다고 한다면 우리는 그동안 중력의 영향을 덜 받게 된다. 그러므로 그동안 약 10 나노 초의 시차가 발생한다. 우리는 단 8시간 동안 여행하고 10 나노 초 동안을 시간여행 한 것이다. 그렇다면 이 중력의 차가 매우 커지고, 여행하는 시간도 늘어난다면 어떻게 될까? 만약 우리가 광속에 가까운 우주선을 타고 중력이 매우 큰 중성자별이나 블랙홀의 주변을 돌고 지구로 돌아온다면, 지구 속 시대는 이미 크게 바뀌어있을 지도 모른다.
3-2. 베텔기우스 왕복 특급
실제로 이런 미래로의 시간여행을 계산한 예가 있다. 바로 지구에서 베텔기우스 행성까지 왕복하는 것. 지구에서 베텔기우스 별까지의 거리는 500광년이다. 광속으로 500년 주행해야만 도달할 수 있는 거리인 것이다. 하지만 광속의 99.995%로 주행하는 우주선을 탄다면 우주선 속 시간의 흐름이 지구의 시간 흐름보다 100분의 1배로 느리다. 즉 이 우주선을 탄다면 베텔기우스 행성까지 단 5년이 걸린다는 것이다. 따라서 이 우주선을 타고 베텔기우스 행성을 왕복하고 온다면 10년만에 1000년이 지난 지구의 모습을 볼 수 있을 것이다. 하지만 이는 아직 불가능하다. 지금의 기술로는 이러한 조건들을 버틸 수 있는 우주선을 제작할 수 없다는 것이다.
3-3. 블랙홀
이는 안이 텅 빈 구 모양의 블랙홀을 만들어 안에 들어가는 방법이다. 블랙홀의 안쪽으로 들어간다면 중력이 0이 되기에 블랙홀 구의 안은 안전하다고 한다. 그 안의 시간은 느리게 흐르고, 밖의 시간은 빠르게 흐른다. 더 먼 미래로 빠르게 여행하고 싶다고 한다면 더 압축되고 더 무거운 블랙홀을 만들어 들어가면 된다. 하지만 물리학자 앨런 라이트먼과 빌 프레스의 계산에 따르면 아무리 무겁고 단단한 물체라도 스스로를 지탱하는 것에는 한계가 있다. 이는 우주선이 블랙홀 가까이에 갈 때 버티지 못하는 점에서 한 곳에 블랙홀을 만들어 그 안에 들어가 있는 것이 안전하다는 생각에서 착안되었다. 하지만 이 방법 역시, 당연하게도 아직 불가능하다. 이 블랙홀의 질량은 태양의 두 배인데 지름은 12.6km에 불과하여, 이런 블랙홀을 만들 수 있는 기술이 발견되지 않았다. 또 이 블랙홀을 만드는 장소를 찾기도, 만들기도, 이를 해체하기도 힘들기 때문에 사실상 불가능하다고 여겨진다.
4. 과거로 가는 시간여행
위 글에서 말했듯이, 과거로 가는 시간여행은 논란의 여지가 많고, 불가능하다는 여론이 거의 대부분을 차지한다. 하지만 일부에서는 과거로 가는 시간여행이 가능하다는 의견도 있다.
4-1. 웜홀
웜홀이란 블랙홀과 화이트홀을 서로 연결시켜주는 통로이다. 이는 멀리 떨어진 두 점 사이의 지름길이라고도 할 수 있다. 만약 누군가가 웜홀의 입구로 들어가게 된다면 그 사람은 우주 어딘가에 있는 웜홀의 출구로 나오게 된다.
이 웜홀의 입구를 A, 출구를 B라고 했을 때, B만을 빛의 속도로 이동시킨다고 가정한다. B를 10년동안 광속으로 이동시킨다고 했을 때, 가만히 있던 A의 시간은 10년이 흘러 있고 B의 시간은 느리게 흘러 1년만이 지나있다고 한다. 그렇다면 A로 들어간 사람은 어떻게 된다고 생각하는가? 9년 전의 세상으로 돌아갔을 것이다.
하지만 이 방법은 사실상 불가능하다. 웜홀은 우주선이나 사람이 들어갈 수 있을 정도로 크지 않다고 한다. 그리고 만약 웜홀로 들어간 후에 과거로 돌아갔다 하더라도, 그 과거가 어떠한 모양으로 있을지는 알 수 없을 따름이다.
위와 같이 시간여행이 가능한가에 대하여 살펴보았다. 결론적으로 말하자면 우리는 아직 5년, 10년 등 아주 큰 차이를 만들어낼 수 있는 시간여행을 할 수 없다. 우리는 시간여행을 하기 위해서는 광속에 가까운 속도로 주행하는 우주선이나 블랙홀과 비슷한 질량을 견뎌낼 수 있는 우주선을 만들어내야 하는데, 지금의 기술로는 불가능하거니와 향후 수년 만으로 발명해낼 수 있는 기술도 아니다. 하지만 과학이 늘 그렇듯, 가능하다는 이론이 존재한다면 언젠가는 해내고 말 것이라 생각한다.
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