빛의 속도가 상수? 특수상대성이론으로 본 시간 여행

세상을 환하게 비추고 우리의 눈으로 사물을 볼 수 있도록 해주는 빛은 현대 물리학에서도 빼놓을 수 없는 중요한 대상입니다.

이번 글에서는 빛의 속도가 유한한 상수 특성을 갖는다는 특수 상대성 이론과 우리 인간들이 현재와 미래를 바라보기보다는 과거를 볼 수밖에 없는 이유에 대해 알아보도록 하겠습니다.

지난 글에서 빛은 다양한 파장을 가지고 있는 파동(Wave)의 특성을 보유하고 있으며, 다양한 물질을 지나가면서 굴절(Refraction)되고 분산(Dispersion)된다고 얘기하였습니다.

그 밖에도 다른 글에서 이야기할 간섭(Interference), 회절(Diffraction) 특성도 가지고 있으며, 근본적으로는 포톤(Photon)이라는 입자의 성질도 가지고 있습니다.

이번 글에서 얘기할 가장 중요한 빛의 특성은 그 속도가 일정하다는 것입니다. 진공에서 초속 30만 km, 조금 더 정확하게는 초당 299,792,458 미터의 속도로 항상 일정하게 이동합니다.

역사상 최고의 물리학자 아인슈타인 박사는 초고속으로 움직이는 광원에서 발사되는 빛의 속도도 일정하며 단지 시간이 변하는 것이라고, 특수 상대성 이론을 통해 이야기하였습니다.

진공에서의 빛의 속도인 초속 299,792,458 미터는 물리적으로 얻을 수 있는 가장 빠른 속도로, 이보다 더 빠른 속도는 불가능하며 관측 지점에 상관없이 일정한 값을 갖는 기본 물리 상수인 것입니다.

그러나 진공이 아닌 굴절률 n의 매질을 빛이 통과하는 경우 빛의 속도는 아래와 같이 변경됩니다.

앞에서 얘기한 바와 같이 빛의 물리적인 최대 속도가 진공에서의 속도이므로, 진공이 아닌 특정 매질의 n은 1보다 큽니다. 굴절률이 n인 매질을 통과하는 빛의 속도는 진공보다 느려지게 됩니다.

하지만 여기서도 감소할 뿐 일정한 상수라는 사실은 변함이 없습니다. 빛은 공간 왜곡이나 불균일함에 의해 휘어지기도 하지만 속도는 일정합니다.

우리가 눈으로 볼 수 있는 빛은 파장이 380 나노미터인 보라색에서 760 나노미터인 빨간색까지의 광선이라고 지난 글에서도 설명하였습니다.

따라서 우리가 보는 모든 사물은 자체 발광된 빛이나 반사된 빛을 통해 인식되는 것이며, 눈에는 보이지 않는 자외선, 적외선, 전파 등을 센서를 활용해 감지하는 원리도 동일합니다.

문제는 여기서 발생합니다. 우리가 눈으로 인식하거나 장치를 통해 사물을 감지할 때 물체까지 거리가 있으므로 시간이 소요되기 때문입니다.

극단적인 사례를 살펴보면, 몇 광년 또는 몇 만 광년 떨어져 있는 은하계를 관측하는 경우 우리가 보는 그 은하계의 모습은 현재가 아닌 몇 년 전이나 몇 만 년 전의 모습인 것입니다.

여기서 1광년은 빛의 속도로 1년 동안 이동하는 총거리를 의미하는 천문학적인 길이 단위이며, 이는 엄청나게 먼 거리입니다. 그에 비해 극히 짧은 거리인 일반적인 사물에도 찰나의 시간만큼 현재가 아닌 과거를 보고 있는 것입니다.

빛의 속도가 기본 물리 상수로서 일정하기 때문에 불가피하게 발생하는 현상인 것입니다.

아인슈타인 박사의 특수 상대성 이론에 의하면, 빛의 속도가 일정하게 유지되기 위해서는 시간이 변해야 하므로, 빛의 속도에 가까운 빠른 속도로 우주 비행을 하면 외부보다 우주선 내부의 시간이 느려지면서, 여행 후에 상대적으로 미래가 된 외부를 볼 수 있습니다.

시간 여행을 할 수도 있다는 것입니다. 하지만 이것은 빛의 속도 수준으로 매우 빠르게 이동할 수 있다는 가정 하의 이론입니다.

과연 시간 여행이 가능할까?

매우 빠르지만 어디에서나 일정한 속도를 가지는 빛의 특성 때문에, 우리 인간들은 모든 사물의 과거 모습만 볼 수 있으므로 현재나 미래보다는 과거에 더 집착하지 않나 생각됩니다.

용하다는 무속인들도 일반인들이 모르는 숨겨진 과거의 흔적을 통해 그 사람의 과거는 잘 맞히지만, 미래는 틀리는 경우가 많습니다. 대부분의 사람들은 과거를 바라보고 과거에 집착하는데, 나이가 들수록 그 현상은 점점 더 심해집니다.

그러나 이러한 태생적 환경을 극복하고, 조금이라도 미래를 내다보려고 노력하고 또 내다볼 줄 아는 소수의 사람들이 성공하고 각 분야에서 우위를 차지하고 있는 것인지도 모르겠습니다.