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교육부 공식 블로그

우주여행을 하면 젊어질까? 본문

~2016년 교육부 이야기/신기한 과학세계

우주여행을 하면 젊어질까?

대한민국 교육부 2013. 3. 30. 11:00

‘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?

 

위의 두 상황은 네모가 지구로 귀환하는 상황에서 이야기가 달라집니다. 우주여행을 갔던 네모는 지구로 돌아오기 위해 운동방향을 바꾸어야 하므로 어느 순간 속도가 변하는 가속운동하게 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)

6 Comments
  • 프로필사진 2014.11.06 04:00 말이 안되요 지구시간으로 30년을 바야지 왜 광속시간으로 보나요? 지구시간으로 30년이 됬으면 와야죠
  • 프로필사진 2017.06.26 09:20 저 위에분 상대성이론에 도전하시네..
    지구시간 30년이 흘러서 돌아온거잖아요.
  • 프로필사진 한국좀망 2019.04.28 14:36 상대성이론 빛의속도가 일정하다고하는데 물속의빛의속도가 30만이아니라 25만이라고 나오고 말그대로 상대성이론 빅뱅이론 진화론 론 설 이론일뿐인데 왜 법칙마냥 뉴턴의 만유인력의법칙처럼 절대로변하지않을때 법칙이라쓰는겁니다.. ♩♬♫♩들아..

    니들 이론에 조금만 의견을 내놓으면 마치 사이코페스보는것마냥 예절안지키고 싸지르잖아.. 질문하면 안되는것 그게 교육이냐 그게 과학이냐 사이비지
  • 프로필사진 한국좀망 2019.04.28 14:41 그리고 나사에 직접 상대성이론 빅뱅이론 엉터리라고 편지보내고 승인한 과학자만 몇백명이 넘는다는데 왜 그건 뉴스에안뜨냐 왜? 왜?? 거짓말같으면 니들이 나사에 직접 영어로 물어봐봐 과학자들이 나사에 직접 승인한 편지 보내는지 안보냈는지 직접알아보고 판단하라고 오오!! 모두가따라말하니까 나도 따라말해야지 !! 이따구로 판단하지말고 개돼지들아

    한국상황 과학 역사 천문 외교 경제 물건정보까지 다조작해놓고 아니 어떻게 인터넷이 제일발달된곳이라면서 공부를 제대로할려는세기가 한놈도 안보이냐..

    다 따라말하니깐 똑같이 따라말하고 조금만 반박하면 부모욕하고 사이코처럼 몰아가고 이게바로 종교지 선교활동이지

    니들 한국이 해외 선교사 보내는거 세계 2위로 보내는데 유대인 이슬람 무슬림 종교가 곳법인 권력있는나라에서 얼마나 반박하고 한국선교사 해외가서 목잘라죽고 하는거보고 느끼는거없냐? 지금 예멘 이민자들 한국에 들어오는거 한국선교사들이 해외가서 선교활동해서 종교갈등일으킨거 보복으로 안보이냐고..

    니들은.... 미래가 어둡다 참.. 난 이제 지쳤어.. 니들한테 이렇게 댓글달아주는사람도 나하나뿐이니.. 미래가없다

    25% 법칙이라고 제대로 공부한사람 25%만있어도 세계를바꿀수있다고하던데.. 0.1% 안돼는것 같다 내가봤을땐
  • 프로필사진 한국좀망 2019.04.28 14:47 상대성이론에 도전을 해외과학작들이 안하고있는지 하고있는지도 찾아보지도않고 그저 ~ 한국내부에서 상대성이론 찬양하니 마치 법칙마냥 믿어버리고...

    아인슈타인이 '에테르는 존재하지 않는다.'('빛은 매질이 필요 없다.')라는 생각 대신 '빛의 속도는 불변이다 이렇게 생각한거보고 느끼는거없냐? 매질이없으면 대체 우리 방송파가 휴대폰은 어떻게 작동되고 우리가 사용하고있냐고..................... 으띃게 사용하고 있냐고 이것들아.................... 야 야? 어떻게 우리가 휴대폰을 수신을받고 사용하고있냐고오~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 이 사이비종교놈들아 ...

    매질이있어야 우리가 그런 파장들을받고 사용하고있는거아니냐고오............................

    중력이란 물질이 있는거냐? 중력이란 에너지가 있는거냐? 중력은 눈에보이지않아도 확실한 효과 물질적인 결과가 있어서 우리가 추측하는거잖아...

    니들은 눈에보이지않으면 무조건 욕하고보는데 해외과학자들은 안그런다니까? 나 진짜 이 나라 어떻게될려나
  • 프로필사진 존망아님 2020.06.08 15:32 그건 님이 물리학을 겉핥기로 알아서 그런겁니다. 빛은 매질이 없이 전파된다는 사실의 기반위에서 상대성 이론이 나왔으니까요.. 님 말대로 빛(전자기파)를 전파하게 해주는 가상의 매질(에테르)가 있다고 생각해봅시다. 그럼 우리지구는 공전하고있는상태라 에테르에 대해 상대운동을 분명 하고있을테니 특정 방위각에서 잰 빛의 속도는 분명 달라야합니다. 에테르의 상대운동과 같은방향, 다른방향으로 잰 경우가 존재할테니까요. 근데 실제 실험해보면 그런경우가 없습니다. 이게 그 유명한 마이컬슨-몰리 실험입니다다.

    또, 전자기파의 전파에 관한 맥스웰 방정식(맥스웰방정식은 전자기파의 성질을 직접 측정하고 실험하여 얻은 식입니다. 마치 뉴턴역학처럼요.)을 매질이 전도성 물질이 아니라는 가정을 하고 푼다면(매질에 의한 변수의 값이 0, 즉 진공상태라해도), 그 식은 명백하게 일정속도를 가진 파동방정식의 형태입니다. 즉 전자기파는 매질이 없어도 전파가능한 파동이라는거죠. 이 식이 기반이 되었기때문에 상대성 이론이 빛의 속도가 일정하다는 가정을 세운겁니다. 즉 빛의 속도가 일정하다는건 매질이 없어도 전파가능하다는 내용을 애시당초 포괄하고 있습니다.
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