전후맥락
책의 초반에는 고대 이래로 인류가 상상하고 사색했던 우주의 모습과 꿈꾸었던 대우주로의 항해에 대해 신화와 전설을 동원하여 기술한다. 지구의 역사와 살고 있는 생물들의 역사를 차분히 설명하다가 1977년 마침내 우주 공간으로 발사된 우주선 보이저 1호 이야기로 현대 천문학의 발달상을 소개한다. 이어서 우리 은하계인 은하수(7장 ｢밤하늘의 등뼈｣)를 소개한 다음, 이 8장에 들어와 우주 여행을 효과적으로 실현할 수 있는 방법을 알려준다(8장 ｢시간과 공간을 가르는 여행｣).
이 여행이 단순히 공간 여행이 아니라 “시간과 공간을 가르는 여행”이고, 그래서 훨씬 더 빠른 속도로 갈 수 있는 이유는 바로 아인슈타인의 상대성 이론이 있기 때문이다. 그래서 ‘고전 본문’은 이 이론을 통해 우리가 구사할 수 있는 ‘시간 지연’ 효과를 자세히 설명해주는 것이다.
이 대목 이후 [코스모스]는 우주의 미래와 우리 인류 및 지구의 미래에 대해 이야기한다.
고전본문
특수 상대성 이론은 아인슈타인이 20대 중반에 혼자서 수립한 이론이다. 특수 상대성 이론은 그 후에 그 이론을 검증하기 위해 수행된 각종 실험에서 그 정당성이 입증됐다. (…) 당신이 오토바이를 타고 빛의 속도에 점점 가까워지고 있다고 상상해보자. (…) 속도가 증가함에 따라 당신이 지나친 물체들의 귀퉁이가 보이기 시작할 것이다. 분명히 앞을 향해 달리고 있지만 당신이 이미 지나간 뒤에 있는 물체들이 당신 앞쪽에 나타난다는 말이다. 오토바이의 속도가 빛의 속도에 가까워지면 모든 것이 당신의 앞에 머물러 있는 매우 작은 동그란 창 안에 모여 있는 것처럼 보일 것이다. 빛의 속도로 달리는 사람에게는 세상이 이상하게 보이는 것이다. 한편 멈춰 서 있는 관찰자의 입장에서는 만약 당신이 멀어지고 있다면 당신에게 반사되어 오는 빛이 빨갛게 보이고, 만일 당신이 가까워지고 있다면 파랗게 보인다. 만일 당신이 관측자를 향하여 달리고 있다면 당신은 기분 나쁜 색깔의 광채에 둘러싸인 것으로 보일 것이다. 왜냐하면 당신에게서 방출되는, 통상적으로는 눈에 보이지 않던 적외선이 짧은 파장 쪽으로 이동해서 눈에 보이는 가시광선이 되기 때문이다. 당신은 움직이는 방향으로 압축되고 질량은 증가하며 광속과 같은 속도로 움직일 때의 가장 짜릿한 결과인 시간 지연이라는 이상한 현상을 경험하게 될 것이다. 시간 지연은 글자 그대로 시간이 느리게 흐르는 현상을 일컫는다. (…) 이 현상들은 당신과 관찰자 사이에 상대 운동이 있을 때 보게 되는 것이다. 하지만 이것은 시각적 환상이 아니라 실제 현상이다. (…) 우리에게 익숙한 절대 공간과 절대 시간의 개념을 버려야만 한다. 절대 공간과 절대 시간은 상대 운동과는 무관한 개념이었으며, 상대 운동의 영향 때문에 길이의 단축과 시간의 지연 같은 일이 벌어지는 것이다.
광속에 가까운 속력으로 여행을 하면 당신은 나이를 거의 먹지 않지만, 당신의 친구나 친척 들은 여전히 늙어간다. 당신이 상대론적인 여행에서 돌아왔을 때, 친구들은 몇 십 년씩 늙어 있겠지만, 당신은 전혀 늙지 않았을 것이다. 그러므로 빛의 속도로 여행한다는 것은 일종의 불로장수의 영약을 먹는 것과 마찬가지라고 할 수 있다. 앞에서 이야기했듯이 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도에 가깝게 움직일 때 시간의 흐름이 지연된다. 그 까닭에 우주여행을 하는 사람은 늙지 않으면서 다른 별로 갈 수 있게 될 것이다.
[코스모스] 8장 중반
토론하기
(1) 우리가 빛의 속도에 가깝게 이동하면 시간이 지연된다고 합니다. 만일 빛의 속도와 같은 속도로 이동한다면 어떤 일이 생길까요? 심지어 광속보다 더 빨리 이동한다면 또 세상이 어떻게 보일까요?
(2) 본문에 따르면 “만일 당신이 관측자를 향하여 달리고 있다면 당신은 기분 나쁜 색깔의 광채에 둘러싸인 것으로 보일 것이다. 왜냐하면 당신에게서 방출되는, 통상적으로는 눈에 보이지 않던 적외선이 짧은 파장 쪽으로 이동해서 눈에 보이는 가시광선이 되기 때문이다.”라고 합니다. 당신이 친구를 향해 이렇게 달리고 있다면, 친구는 당신에게 어떤 모습으로 보일까요?
(3) 시간 지연 효과를 이용하면 화성이나 목성으로 날아가는 여행도 지금보다는 시간이 훨씬 적게 걸릴 겁니다. 지구의 자연 환경이 더 나빠져 살기 힘들어지면 다른 행성으로 가는 사람들도 생겨날 수 있겠구요. 그럴 경우, 당신은 다른 행성으로 이사를 가겠습니까? 아니면 지구에 남겠습니까? 다른 행성에서의 생활과 지구에서의 생활은 어떻게 다를까요?
해설읽기
아인슈타인은 26세이던 1905년 특수 상대성 이론을 발표하고 36세이던 일반 상대성 이론을 발표했다. 특수 상대성 이론은 우선, 두 존재가 상대 운동을 한다고 상정한다. 상대 운동이란 누가 운동을 하고 있든 상관 없이, 어쨌든 상대방과 나의 위치가 시간의 흐름에 따라 변하는 상태다. 즉, 둘 중 한 쪽이 움직여서 상대 위치가 변화하든, 아니면 둘 다 움직이는 경우에도 서로의 속도나 방향이 달라 상대 위치가 변화하는 경우다. 역으로 말해서, 둘 다 같은 방향에 같은 속도로 움직이면, 상대 운동이 아니다. 서로 간의 위치가 전혀 변화하지 않기 때문이다.
특수 상대성 이론에 따르면, 두 존재가 상대 운동을 할 경우, 상대의 시간은 조금밖에 안 흐르고 상대의 길이는 짧아진다. 예를 들어 내 자전거의 길이가 1미터고 내 시계가 60초 흘렀다면, 상대방 자건거의 길이는 0.7미터(1미터의 70%)로 줄고, 상대의 시계도 42초(60초의 70%)만 흘렀다.
만일 내가 오토바이를 타고 빛의 속도에 점점 가까워지도록 가속을 하면, 주변의 존재들은 나의 뒤쪽으로 물러나되 점점 더 빨리 멀어져간다. 요컨대 나와 주변 존재들은 상대 운동 상태다. 이렇게 되면 주변 존재들에 걸려있는 벽시계나 사람들이 차고 있는 손목시계가, 나의 시계에 비해 늦게 간다. 혹은 그 존재들의 길이가(물론 벽시계나 손목시계 등 모든 물건들의 길이까지 전부) 짧아진다. 이런 일은 시계를 두 개 준비해서 하나는 지상 관제탑에 두고, 또 하나는 비행기에 실어 비행을 시키는 실험을 통해 확인되었다. 비행기에 실렸던 시계를 꺼내 관제탑의 시계와 비교해보니 비행기쪽의 시계가 더 느리게 갔던 것이다.
특수 상대성 이론이 상대성 이론이라 불리는 이유는, 이런 일이 상대방에게서도 똑같이 일어난다는 것이다. 물론 비행기에 실린 시계는 관제탑쪽 시계보다 느리게 간다. 하지만 이것은 특수 상대성 원리만이 아니라 일반 상대성 원리까지 개입된 결과다(이건 꽤나 길고 복잡해서 여기서 다 설명할 수가 없다).
상대성 원리에 따른 여러 현상들은 “당신과 관찰자 사이에 상대 운동이 있을 때 보게 되는 것이다. 하지만 이것은 시각적 환상이 아니라 실제 현상이다.” 상대방의 시간이나 길이가 짧아진다는 것부터가 믿을 수 없을 정도로 기이하지만, 더 놀라운 건 상대방 역시 자신의 상대방의 시간이나 길이가 짧아진다는 것이다. 이런 충격적인 결과는 우리가 “우리에게 익숙한 절대 공간과 절대 시간의 개념을” 버리지 않으면 결코 이해할 수 없다.
이런 일 때문에 우리가 영화 같은 데서 자주 보는 장면들이 가능하다. 당신이 “광속에 가까운 속력으로 여행을 하면 당신은 나이를 거의 먹지 않지만, 당신의 친구나 친척 들은 여전히 늙어간다.”
우리는 모두 지구에 살고 있으니까 이런 일들은 현실에서 거의 일어나지 않는다. 물론 지구 상공을 도는 GPS 인공위성에 실린 시계들은 지구의 시계보다 “실제로” 느리게 간다. 그래서 그 시계들 제공하는 시간 및 거리 정보들은 쉴 새 없이 보정해 주지 않으면 쓰레기 정보가 되어버린다. 시야를 좀 더 넓혀 태양계로 나아가보면 어떨까? 태양계 내 행성들 모두 상대 운동의 상태에 있고, 태양 및 달들도 모두 그러하다. 그러므로 우리가 어느 행성에 있든, 심지어 태양이나 달에 있을 때도 상대의 시간과 공간은 모두 달라진다. 그런 의미에서 우리는 무수한 시공간의 거미줄 속에서 살아간다고 할 수 있다.
키워드
가시광성, 광속, 상대 운동, 시간 여행, 시간 지연, 절대 공간, 절대 시간, 질량, 특수 상대성 이론
전후맥락
책의 초반에는 고대 이래로 인류가 상상하고 사색했던 우주의 모습과 꿈꾸었던 대우주로의 항해에 대해 신화와 전설을 동원하여 기술한다. 지구의 역사와 살고 있는 생물들의 역사를 차분히 설명하다가 1977년 마침내 우주 공간으로 발사된 우주선 보이저 1호 이야기로 현대 천문학의 발달상을 소개한다. 이어서 우리 은하계인 은하수(7장 ｢밤하늘의 등뼈｣)를 소개한 다음, 이 8장에 들어와 우주 여행을 효과적으로 실현할 수 있는 방법을 알려준다(8장 ｢시간과 공간을 가르는 여행｣).
이 여행이 단순히 공간 여행이 아니라 “시간과 공간을 가르는 여행”이고, 그래서 훨씬 더 빠른 속도로 갈 수 있는 이유는 바로 아인슈타인의 상대성 이론이 있기 때문이다. 그래서 ‘고전 본문’은 이 이론을 통해 우리가 구사할 수 있는 ‘시간 지연’ 효과를 자세히 설명해주는 것이다.
이 대목 이후 [코스모스]는 우주의 미래와 우리 인류 및 지구의 미래에 대해 이야기한다.
고전본문
특수 상대성 이론은 아인슈타인이 20대 중반에 혼자서 수립한 이론이다. 특수 상대성 이론은 그 후에 그 이론을 검증하기 위해 수행된 각종 실험에서 그 정당성이 입증됐다. (…) 당신이 오토바이를 타고 빛의 속도에 점점 가까워지고 있다고 상상해보자. (…) 속도가 증가함에 따라 당신이 지나친 물체들의 귀퉁이가 보이기 시작할 것이다. 분명히 앞을 향해 달리고 있지만 당신이 이미 지나간 뒤에 있는 물체들이 당신 앞쪽에 나타난다는 말이다. 오토바이의 속도가 빛의 속도에 가까워지면 모든 것이 당신의 앞에 머물러 있는 매우 작은 동그란 창 안에 모여 있는 것처럼 보일 것이다. 빛의 속도로 달리는 사람에게는 세상이 이상하게 보이는 것이다. 한편 멈춰 서 있는 관찰자의 입장에서는 만약 당신이 멀어지고 있다면 당신에게 반사되어 오는 빛이 빨갛게 보이고, 만일 당신이 가까워지고 있다면 파랗게 보인다. 만일 당신이 관측자를 향하여 달리고 있다면 당신은 기분 나쁜 색깔의 광채에 둘러싸인 것으로 보일 것이다. 왜냐하면 당신에게서 방출되는, 통상적으로는 눈에 보이지 않던 적외선이 짧은 파장 쪽으로 이동해서 눈에 보이는 가시광선이 되기 때문이다. 당신은 움직이는 방향으로 압축되고 질량은 증가하며 광속과 같은 속도로 움직일 때의 가장 짜릿한 결과인 시간 지연이라는 이상한 현상을 경험하게 될 것이다. 시간 지연은 글자 그대로 시간이 느리게 흐르는 현상을 일컫는다. (…) 이 현상들은 당신과 관찰자 사이에 상대 운동이 있을 때 보게 되는 것이다. 하지만 이것은 시각적 환상이 아니라 실제 현상이다. (…) 우리에게 익숙한 절대 공간과 절대 시간의 개념을 버려야만 한다. 절대 공간과 절대 시간은 상대 운동과는 무관한 개념이었으며, 상대 운동의 영향 때문에 길이의 단축과 시간의 지연 같은 일이 벌어지는 것이다.
광속에 가까운 속력으로 여행을 하면 당신은 나이를 거의 먹지 않지만, 당신의 친구나 친척 들은 여전히 늙어간다. 당신이 상대론적인 여행에서 돌아왔을 때, 친구들은 몇 십 년씩 늙어 있겠지만, 당신은 전혀 늙지 않았을 것이다. 그러므로 빛의 속도로 여행한다는 것은 일종의 불로장수의 영약을 먹는 것과 마찬가지라고 할 수 있다. 앞에서 이야기했듯이 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도에 가깝게 움직일 때 시간의 흐름이 지연된다. 그 까닭에 우주여행을 하는 사람은 늙지 않으면서 다른 별로 갈 수 있게 될 것이다.
[코스모스] 8장 중반
토론하기
(1) 우리가 빛의 속도에 가깝게 이동하면 시간이 지연된다고 합니다. 만일 빛의 속도와 같은 속도로 이동한다면 어떤 일이 생길까요? 심지어 광속보다 더 빨리 이동한다면 또 세상이 어떻게 보일까요?
(2) 본문에 따르면 “만일 당신이 관측자를 향하여 달리고 있다면 당신은 기분 나쁜 색깔의 광채에 둘러싸인 것으로 보일 것이다. 왜냐하면 당신에게서 방출되는, 통상적으로는 눈에 보이지 않던 적외선이 짧은 파장 쪽으로 이동해서 눈에 보이는 가시광선이 되기 때문이다.”라고 합니다. 당신이 친구를 향해 이렇게 달리고 있다면, 친구는 당신에게 어떤 모습으로 보일까요?
(3) 시간 지연 효과를 이용하면 화성이나 목성으로 날아가는 여행도 지금보다는 시간이 훨씬 적게 걸릴 겁니다. 지구의 자연 환경이 더 나빠져 살기 힘들어지면 다른 행성으로 가는 사람들도 생겨날 수 있겠구요. 그럴 경우, 당신은 다른 행성으로 이사를 가겠습니까? 아니면 지구에 남겠습니까? 다른 행성에서의 생활과 지구에서의 생활은 어떻게 다를까요?
해설읽기
아인슈타인은 26세이던 1905년 특수 상대성 이론을 발표하고 36세이던 일반 상대성 이론을 발표했다. 특수 상대성 이론은 우선, 두 존재가 상대 운동을 한다고 상정한다. 상대 운동이란 누가 운동을 하고 있든 상관 없이, 어쨌든 상대방과 나의 위치가 시간의 흐름에 따라 변하는 상태다. 즉, 둘 중 한 쪽이 움직여서 상대 위치가 변화하든, 아니면 둘 다 움직이는 경우에도 서로의 속도나 방향이 달라 상대 위치가 변화하는 경우다. 역으로 말해서, 둘 다 같은 방향에 같은 속도로 움직이면, 상대 운동이 아니다. 서로 간의 위치가 전혀 변화하지 않기 때문이다.
특수 상대성 이론에 따르면, 두 존재가 상대 운동을 할 경우, 상대의 시간은 조금밖에 안 흐르고 상대의 길이는 짧아진다. 예를 들어 내 자전거의 길이가 1미터고 내 시계가 60초 흘렀다면, 상대방 자건거의 길이는 0.7미터(1미터의 70%)로 줄고, 상대의 시계도 42초(60초의 70%)만 흘렀다.
만일 내가 오토바이를 타고 빛의 속도에 점점 가까워지도록 가속을 하면, 주변의 존재들은 나의 뒤쪽으로 물러나되 점점 더 빨리 멀어져간다. 요컨대 나와 주변 존재들은 상대 운동 상태다. 이렇게 되면 주변 존재들에 걸려있는 벽시계나 사람들이 차고 있는 손목시계가, 나의 시계에 비해 늦게 간다. 혹은 그 존재들의 길이가(물론 벽시계나 손목시계 등 모든 물건들의 길이까지 전부) 짧아진다. 이런 일은 시계를 두 개 준비해서 하나는 지상 관제탑에 두고, 또 하나는 비행기에 실어 비행을 시키는 실험을 통해 확인되었다. 비행기에 실렸던 시계를 꺼내 관제탑의 시계와 비교해보니 비행기쪽의 시계가 더 느리게 갔던 것이다.
특수 상대성 이론이 상대성 이론이라 불리는 이유는, 이런 일이 상대방에게서도 똑같이 일어난다는 것이다. 물론 비행기에 실린 시계는 관제탑쪽 시계보다 느리게 간다. 하지만 이것은 특수 상대성 원리만이 아니라 일반 상대성 원리까지 개입된 결과다(이건 꽤나 길고 복잡해서 여기서 다 설명할 수가 없다).
상대성 원리에 따른 여러 현상들은 “당신과 관찰자 사이에 상대 운동이 있을 때 보게 되는 것이다. 하지만 이것은 시각적 환상이 아니라 실제 현상이다.” 상대방의 시간이나 길이가 짧아진다는 것부터가 믿을 수 없을 정도로 기이하지만, 더 놀라운 건 상대방 역시 자신의 상대방의 시간이나 길이가 짧아진다는 것이다. 이런 충격적인 결과는 우리가 “우리에게 익숙한 절대 공간과 절대 시간의 개념을” 버리지 않으면 결코 이해할 수 없다.
이런 일 때문에 우리가 영화 같은 데서 자주 보는 장면들이 가능하다. 당신이 “광속에 가까운 속력으로 여행을 하면 당신은 나이를 거의 먹지 않지만, 당신의 친구나 친척 들은 여전히 늙어간다.”
우리는 모두 지구에 살고 있으니까 이런 일들은 현실에서 거의 일어나지 않는다. 물론 지구 상공을 도는 GPS 인공위성에 실린 시계들은 지구의 시계보다 “실제로” 느리게 간다. 그래서 그 시계들 제공하는 시간 및 거리 정보들은 쉴 새 없이 보정해 주지 않으면 쓰레기 정보가 되어버린다. 시야를 좀 더 넓혀 태양계로 나아가보면 어떨까? 태양계 내 행성들 모두 상대 운동의 상태에 있고, 태양 및 달들도 모두 그러하다. 그러므로 우리가 어느 행성에 있든, 심지어 태양이나 달에 있을 때도 상대의 시간과 공간은 모두 달라진다. 그런 의미에서 우리는 무수한 시공간의 거미줄 속에서 살아간다고 할 수 있다.
키워드
가시광성, 광속, 상대 운동, 시간 여행, 시간 지연, 절대 공간, 절대 시간, 질량, 특수 상대성 이론
