우주여행을 하면 젊어질까?

‘광속’이란 빛이 나아가는 속도를 말합니다. 빛은 얼마나 빠를까요? 초당 약 30만 km를 나아가는 빛의 속도가 얼마나 빠른지 우리 몸으로 직접 느낄 수는 없지만, 우리가 알고 있는 속도 중에 가장 빠르지요. 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있으니까요!

 

아인슈타인의 상대성이론에서 ‘광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선 안에서는 시간의 흐름이 느려진다.’고 했습니다. 이 말을 다르게 표현하면 빛의 속도와 가깝게 빠르게 움직이는 우주선을 타고 우주여행을 간다면 시간이 천천히 흐르게 되어 느리게 늙는다고 생각할 수 있지요.

 

과학자들은 이것을 다른 말로 ‘시간 지연 효과’라고 합니다. 시간 지연 효과를 설명해 주는 상황이 있는데 그 예가 ‘쌍둥이 역설’이라는 것입니다. 지금부터 상상하여 볼까요?

부모도 구분하기 어려울 정도로 아주 많이 닮은 일란성 쌍둥이가 있습니다. 쌍둥이의 이름은 세모와 네모입니다. 우주여행을 앞두고 세모가 우주선이 발사되는 우주센터에서 네모와 이별을 합니다. 세모는 네모에게 건강하게 잘 다녀와서 다시 만날 것을 약속합니다. 세모는 지구에 머물러 있고 네모는 우주선을 타고 광속에 가까운 속도로 먼 우주여행을 떠났습니다.

 

네모는 지구에서 30광년이나 되는 거리의 행성까지 여행을 갔다가 다시 지구로 돌아옵니다. 1광년은 빛의 속도로 1년을 간 거리입니다. 30광년이면 빛의 속도로 30년을 간 거리가 되겠지요. 빛의 속도에 가까운 속도(모든 속도는 빛의 속도보다 빠를 수 없으므로)로 30년을 갔다가 지구로 돌아오니 네모의 우주여행은 약 60광년이 넘는 거리를 다녀온 것입니다.

 

지구에 있는 세모는 어떨까요? 지구에서의 시간은 얼마나 흘렀을까요? 세모도 네모가 무사히 우주여행을 마치고 돌아와 반갑게 만나기를 기다리고 있겠지요? 드디어 네모의 우주선이 지구에 도착하였습니다. 지구에 무사히 도착한 네모는 보고 싶은 세모부터 찾았습니다.

 

하지만 마중을 나올 줄 알았던 세모는 보이지 않고 낯선 노인이 네모 앞에 서 있습니다. 세모의 모습은 노인이 되어 많이 변해 있었습니다. 하지만 네모는 우주여행을 떠나기 전보다 나이를 많이 먹지 않은 모습입니다. 세모와 네모는 서로 어리둥절한 모습으로 바라보고만 있었습니다. 이런 일이 정말 일어날 수 있을까요?

 

아인슈타인의 상대성이론에서는 빛의 속도에 가까워질수록 시간은 느리게 흐르고, 길이는 짧아지고, 질량은 무거워진다고 합니다. 먼저 세모의 입장에서 관찰할까요? 상대성이론에 따르면 빛의 속도에 가까운 우주선을 탄 네모는 세모와 비교했을 때 시간이 느리게 흐르고 길이도 짧아져 실제 거리가 줄어들게 되죠. 따라서 짧은 거리를 다녀온 네모의 나이가 지구의 세모보다 젊어집니다.

 

그러면 네모의 입장에서는 어떨까요? 네모의 우주선 안에서 보면 지구가 빛에 가까운 속도로 멀어지고 있다고 볼 수 있으므로 위의 상황과 반대로 세모의 나이가 젊게집니다. 두 사람은 서로 다른 관성계에 있으므로 이상한 이야기는 아니지요!

 

그런데 이 이야기는 어디에 역설이 있는 걸까요?

‘역설’이란?

사전적 의미로 일반적으로는 모순을 일으키지 아니하나 특정한 경우에 논리적 모순을 일으키는 논증이라고 합니다.

 

위의 두 상황은 네모가 지구로 귀환하는 상황에서 이야기가 달라집니다. 우주여행을 갔던 네모는 지구로 돌아오기 위해 운동방향을 바꾸어야 하므로 어느 순간 속도가 변하는 가속운동을 하게 됩니다. 따라서 우리는 세모가 네모를 관찰할 때 시간지연 효과를 적용할 수 있지만, 네모가 세모에 적용할 수는 없게 됩니다.

 

아인슈타인의 상대성이론에 의해 네모는 세모만큼 나이를 먹지 않을 것임이 분명합니다. 또한, 앞에서 설명한 ‘시간 지연 효과’는 현재 지상실험을 통해 증명되었지요. 따라서 쌍둥이 역설이 가능한 광속에 가까운 우주선이 개발된다면 나이를 먹지 않기 위해 광속 우주선을 타려는 사람들이 줄을 설 수도 있겠지요! 쌍둥이 역설 이야기는 우리에게 매우 흥미로운 현상으로 생각되고 한편으로는 다가올 미래에 꼭 이루어지는 이야기가 되었으면 하는 생각도 듭니다.

김현이 (서울면동초등학교 교사)