시간과 공간을 가르는 여행

코스모스 Ch8 해설

우리는 중요한 역사적 전환점에 서있다. 우리가 우리의 세상을 지금 어떻게 하느냐가, 그 영향이 앞으로 수백 년의 세월에 걸쳐 전파되어 결국 우리 후손들의 운명을 좌우하게 된다.

- p.429, <코스모스(칼 세이건)>

언젠가 우주 여행을 자유롭게 할 수 있는 시대가 온다면, 여러분은 어디로 여행하고 싶으신가요?

과학기술과 항공우주 기술이 빠르게 발전하고 있지만, 아직까지 우주에 나가는 일은 우주비행사나 엄청난 부자가 아니면 할 수 없는 경험입니다.

그렇다면 우주 여행이 상용화되기 위해서는 어떤 노력이 더 필요한 것일까요?

우주 여행

우주 여행을 가장 어렵게 하는 요소는 아무래도 다른 천체들이 너무 멀리 떨어져 있다는 점이지 싶습니다.

멀리 떨어진 천체까지 가는데 시간과 에너지, 자원이 많이 소모되니까요.

에너지를 아끼면서 화성까지 여행하는 것만해도 약 500일 정도의 시간이 소요되는데요.

다른 별로 가기 위해서는 더 많은 시간이 소요됩니다.

지구에서 가장 가까운 별은 약 4광년 떨어져 있는데, 이는 우주에서 가장 빠른 빛의 속도로도 4년이 걸린다는 뜻이지요.

그런데 우주선을 아주 빠르게 가속시켜, 빛의 속도에 근접하게 할 수는 없을까요?

상대성 이론

(p.400-408)

상대성이론 중 가장 유명한 특수 상대성이론과 일반 상대성이론은 20세기 아인슈타인에 의해 발표되었습니다.

상대성이론의 핵심은 이름 그대로, ‘상대적’인 것과 ‘절대적’인 것이 무엇인지 구분하는 것입니다.

예를 들어, ‘속도’는 절대적인 걸까요, 상대적인 걸까요?

자라와 구독자가 같은 방향으로 달리고 있다고 생각해봅시다. 구독자는 5m/s, 자라는 1m/s의 속도로 달리고 있습니다.

그런데 자라의 입장에서는 어떤가요?

자라는 자신이 달리는 속도를 인지하지 못하므로, 구독자가 자신에 대해 4m/s의 속도로 달리고 있다고 생각합니다.

→ 이렇게 보면, ‘속도’라는 개념이 절대적인 것이 아니라, 관찰하는 사람과 상태에 따라 그 크기가 달라진다는 것을 알 수 있습니다. 이런 특성을 상대적이라고 합니다.

과거에 사람들은 시간이 절대적인 것이라고 생각했습니다. 모두에게 시간은 공평하게 주어진다는 것이죠.

그러나, 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 이용해 그 관념을 반박합니다.

우리가 상대성이론을 직접 계산해볼 필요는 없지만, 아인슈타인이 이러쿵 저러쿵 계산한 바에 따르면, 어떤 사람이 측정하냐에 따라 시간이 다르게 측정될 수 있다는 결론이 나왔습니다.

→ 결론적으로 시간도 상대적이라는 것이죠!

그렇다면 도대체 어떤 것이 절대적인 걸까요?

바로 ‘빛의 속도=광속’입니다.

빛의 속도는 가만히 서서 봐도, 달리면서 봐도, 거꾸로 물구나무 서서 봐도 30만 km/s로 일정합니다.

느리게 달리는 자라가 봐도, 빠르게 달리는 구독자가 봐도 동일하다는 것이지요.

그렇기 때문에 우리는 아무리 빨리 달려도 빛의 속도를 따라갈 수 없습니다.

빛은 언제나 우리보다 빠르게 움직이니까요!

이론적으로 우리는 빛의 속도에 원하는 만큼 가까이 접근할 수 있다. 예를 들어 빛의 속도의 99.9퍼센트로도 움직일 수 있다. 하지만 우리가 아무리 노려하더라도 빛의 속도의 100퍼센트로는 절대로 움직일 수가 없다.

-p.403, 코스모스(칼 세이건)

시간 여행과 평행 우주

(p.417-420)

앞서 설명한 것처럼 빛의 속도로 여행할 수 없다는 것은 자명합니다.

그렇다면 이번에는 시간 여행과 평행 우주의 존재가 가능한 것인지 한 번 살펴봅시다.

우주여행은 공간뿐만 아니라 시간과도 밀접한 관계를 가지고 있습니다. 따지고 보면 우주여행은 시간과 공간을 가르는 여행이지요.

그렇다면 과거로의 시간 여행은 어떨까요? 책에서는 이렇게 말합니다.

상대론적 우주선을 이용하면 미래 속으로 빨리 여행할 수 있다. 하지만 과거로의 시간 여행은 불가능하다고 믿는 물리학자들이 많다. 설사 과거로의 여행을 가능케 하는 어떤 장치를 마련한다고 치더라도, 과거의 그 무엇도 바꾸어 놓을 수 없다.

-p.417, 코스모스

시간과 공간을 하나의 그래프로 그려본다고 합시다.

아래 그림에서 세로축은 시간, 가로축은 공간이라고 생각하면 됩니다.

이 그림에서 중심에 있는 점(원점)은 현재의 우리를 의미합니다. 그리고 굵은 선으로 되어있는 y=x선이 바로 일반적인 시간의 흐름이지요.

→ 위로 갈수록 미래, 아래로 갈수록 과거겠지요?

우리가 조금 더 빨리 움직일 수 있다면, 빨간 굵은 선처럼 더 가파른 선을 따라 움직일 수도 있습니다.

하지만 수학적으로, 아래쪽 어두운 회색으로 칠해진 영역은 도달할 수 없는 영역입니다. 즉, 시간을 돌려 거꾸로 이동하는 것은 불가능하다는 것이지요.

그렇다면 평행우주는 어떤가요?

어떤 물리학자들은 역사를 달리하는 두 갈래의 우주들이 서로 나란히 실재할 수 있다고 주장한다. 어쩌면 시간은 그 자체로서 수많은 잠재적 차원을 갖지만 우리는 그중에서 단 하나의 차원과 연관된 세상에서만 살아갈 운명인지 모른다.

-p. 418, 코스모스

평행우주는 존재할수도 있다고 주장하는 학자들도 있습니다.

하지만 만약 평행우주가 존재한다고 해도, 우리가 거기에 도달할 수 있는 방법은 없습니다.

이와 관련해서 조금 더 궁금하신 분은, 제가 예전에 작성했던 아래 글을 참고해주세요!

https://brunch.co.kr/@bookbookjara/4 ← 링크 클릭!

마무리하며..

보다 쉬운 설명을 위해, 오늘 설명한 내용 중 일부는 수학, 과학적으로 엄밀하지 않다는 것을 밝힙니다.

조금 더 정확하고 자세한 설명을 원하시는 분에게는 아래 영상을 추천드려요!

https://youtu.be/QvXX-iZnq-Q?si=tDf_t1EfQtyrvRqP

그럼 다음에 또 만나요~ �