[과학] 빠르게 달리면 시간이 천천히 간다 - 이게 진짜라면 어떻게 되는 걸까

SF 영화에서 우주선을 타고 나간 사람이 돌아왔더니 지구에서는 수십 년이 지나 있다는 이야기가 나와. 그게 그냥 상상 속 이야기처럼 느껴지는데, 사실 그 원리가 틀리지 않았어. 아인슈타인이 1905년에 발표한 특수상대성이론이 정확히 그걸 말하거든. 그리고 지금 이 순간에도, 네 손안의 스마트폰이 그 이론을 매일 쓰고 있어.

 

▲ 우주와 별 (출처: Unsplash)

 

​

빛의 속도가 일정하면 시간은 달라질 수밖에 없다

​

아인슈타인이 발견한 건 이거야. 빛의 속도는 누가 보든 항상 초당 약 30만 킬로미터야. 내가 빛을 향해 달려가도, 빛에서 멀어지며 달려가도 속도가 같아. 직관적으로 이해가 안 가는데, 이게 실험으로 증명된 사실이야.

근데 여기서 이상한 게 생겨. 두 사람이 서로 다른 속도로 움직이면서 같은 빛을 봤을 때 속도가 같으려면, 둘이 경험하는 시간이 달라야 해. 수식이 맞으려면 그렇게 될 수밖에 없어. 빠르게 움직이는 사람의 시간이 느리게 가는 거야. 이걸 시간 팽창이라고 해.

​

​

우주선 탄 쌍둥이는 진짜 더 젊게 돌아온다

​

쌍둥이가 있는데, 형이 광속에 가까운 우주선을 타고 먼 별까지 갔다가 돌아왔어. 지구에 남은 동생은 수십 년이 지났는데, 형은 몇 년밖에 안 지난 것처럼 돌아오는 거야. 이게 쌍둥이 역설이야.

역설처럼 들리는데 실제로 틀리지 않았어. 지구에서 증거를 볼 수 있어. 우주에서 날아오는 입자가 대기와 충돌할 때 뮤온이라는 입자가 생기는데, 이 입자의 수명이 약 2.2마이크로초야. 그 짧은 시간 안에 지표면까지 닿으려면 빛의 속도가 있어도 어림없어. 근데 실제로 지표면에서 뮤온이 검출돼. 왜냐면 뮤온이 워낙 빠르게 이동하다 보니, 뮤온 입장에서 시간이 느리게 흘러서 수명이 늘어난 거야.

 

▲ 시계와 시간 (출처: Unsplash)

 

​

손 안의 GPS가 매일 시간을 보정하는 이유

​

GPS 위성은 지구 상공 약 2만 킬로미터에서 시속 1만 4천 킬로미터로 돌고 있어. 여기서 두 가지 효과가 동시에 생기는데, 빠르게 움직여서 시간이 느려지는 특수상대성 효과로 하루에 7.2마이크로초 느려지고, 중력이 약한 높은 곳에 있어서 시간이 빨라지는 일반상대성 효과로 하루에 45마이크로초 빨라져. 합치면 하루에 38마이크로초씩 위성 시계가 지상보다 빠르게 가는 거야.

38마이크로초가 작은 것 같지만, 이 오차를 보정하지 않으면 하루에 약 10킬로미터씩 위치 오차가 쌓여. 내비게이션이 하루 만에 완전히 쓸모없어지는 거야. 그래서 GPS 위성은 매일 아인슈타인의 방정식으로 시간을 보정해. 상대성이론이 틀렸다면 GPS는 처음부터 작동하지 않았을 거야.

시간이 다르게 흐른다는 게 철학적인 얘기처럼 들리는데, 실제로 공학 문제야. 위성 설계자들이 아인슈타인의 방정식을 쓰지 않으면 GPS가 무너지거든. 빠르게 달리면 시간이 천천히 간다는 게 진짜라서, 우리는 그걸 매일 보정하며 살고 있어.

​

​

---

​

그래서 정리하자면, 특수상대성이론은 빠르게 움직일수록 시간이 느리게 흐른다고 말해. 이게 SF가 아니라는 증거는 두 가지야. 하나는 우주에서 날아오는 뮤온 입자가 수명보다 오래 살아서 지표면에 닿는다는 것, 다른 하나는 GPS 위성이 매일 38마이크로초씩 시간을 보정하지 않으면 하루 10킬로미터 오차가 쌓인다는 것. 스마트폰 지도가 지금 작동하고 있다는 게, 아인슈타인이 맞다는 가장 일상적인 증거야.

#상대성이론 #시간팽창 #아인슈타인 #특수상대성이론 #GPS #과학에세이 #물리학 #뮤온 #시간의상대성 #과학상식