빛의 물리학 - 중력으로 인한 시간차

태양계 연대기라는 책을 읽고 난후 우주에 관심을 가지게 되었고

내셔널 지오그래픽에서 나온 코스모스 13부작을 보고 

어렴풋이 나마 우주에 대해 어느정도 알아가게 되었습니다.

그런데 어떻게 이런 사실들을 알수 있게 되었을까요?

바로 망원경의 발명으로 우주 멀리서 오는 빛(별빛)을 관찰하게 되면서 부터입니다.

갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 발명하지는 않았지만 그것으로

천체를 관측하면서 부터 천체 즉 우주에 대한 비밀들이 하나씩 풀리기 시작한 것입니다.

우주를 관측하는 지구밖의 천체망원경

그런데 단순히 "빛" 관찰하는 것만으로 어떻게 이런 사실들을 알았을까요?

그래서 찾아본 다큐멘터리가 바로 EBS에서 방송한 "빛의 물리학" 6부작입니다.

빛의 물리학 6부작은 

1부. 빛과 시간 

2부. 빛과 공간

3부. 빛의 역사

4부. 빛과 원자

5부. 빛과 양자

6부. 빛과 끈

으로 구성되어 빛에 대해서 쉽게 풀어서 설명해주는 다큐멘터리입니다.

EBS다큐프라임 - 빛의 물리학 (꼭 시청해 보시길 권합니다.)

저는 그중에서 중력과 연관하여 영화 인터스텔라에서 중력이 강한

가르강튀아(블랙홀)의 주변 행성의 시간과 지구의 시간이 다르게 흘렀던 

이유를 설명해 드리고자 합니다.

인터스텔라에서는 통칭 밀러행성이라 하는 행성에서 겨우 몇시간

머물렀을 뿐인데 지구 시간으로는 무려 23년 4개월이 흘렀습니다.

이렇게 시간 차이가 나는 이유는 바로 중력때문입니다.

빛의 물리학에서 나오는 시간차의 이유를 설명하자면

아인슈타인의 상대성이론을 알아야 합니다.

그래서 다큐멘터리에서는 기차를 예로 들었습니다.

 

 

아인슈타인의 기차 안에는 특별한 장치가 있습니다.

가운데는 빛을 내는 광원이 있고 양쪽으로 같은 거리에 

빛을 반사하는 반사기가 있습니다.

멈춰있는 기차안

단추를 누르면 빛은 같은 거리만큼 가서 동시에 반사됩니다.

밖에서 봐도 마찬가지로 동시에 가서 반사됩니다.

멈춰있는 기차밖

 

그럼, 기차가 빠르게 달리면 어떻게 될까요?

역시나 기차안에서 봤을 때는 동시에 반사됩니다.

빠르게 달리는 기차안

밖에서 보면 상황이 이상해 집니다.

빠르게 달리는 기차밖

빛은 언제나 속도가 일정하니까

다가오는 뒷쪽이 먼저, 멀어지는 앞쪽이 나중에 반사됩니다.

안에서 보느냐, 밖에서 보느냐의 차이입니다.

이제 시간에 대해서 알아볼까요?

  

변하지 않는 빛을 기준으로 삼은 광자시계입니다.

1m 길이의 광자시계

한번 가면 1초 다시 오면 1초.

7번 왔다 가게 되면 7초가 흐르게 됩니다.

 

우주선 안에서는 위 아래로 수직으로 이동하면서 시간이 흐릅니다.

우주선 밖에서 본 광자시계의 이동모습

하지만, 안에서는 수직으로 흐르는 빛이 밖에서 보니 사선으로 흐릅니다.

광자시계가 이동한 거리 측정

빛의 길이를 재보면, 확실히 다르다는 것을 알 수 있습니다.

빛이 지난 거리는 7미터가 훨씬 넘습니다.

광자시계가 이동한 시간 측정

시간을 재 보면 그 차이를 더 크게 느낄 수 있습니다.

안에서 흐른 시간은 7초

밖에서 흐른 시간은 10초50

우주선 안보다 시간이 빠르게 갑니다.

빠르게 가는 우주선 안에서는 시간이 바깥보다 천천히 흐릅니다.

자 여기까지 빛의 물리학에서 나온 내용으로 기본을 알았습니다.

그럼 이제 인터스텔라의 밀러 행성의 시간의 비밀을 알아보자면

밀러행성을 빠르게 가는 우주선이라 생각하시면 됩니다.

빠르게 간다 = 중력이 강하다는것입니다.

2차원으로 표현한 중력으로 인한 공간의 휘어짐

위의 그림에서 보듯이 중력이 커질수록 공간의 휘어짐도 커지며

그에 따라 시간도 영향을 받는 것입니다.

중력으로 인해 시공간이 휘어지면 시간또한 빠르게 흐르게 되는것이죠.

마치 빨리 달리는 우주선 안에서처럼 

밀러행성에 보낸 불과 몇시간이 행성 밖으로 나오자

23년 4개월의 시간이 흐르게 된 결과인것입니다.

알면 알수록 놀라운 우주와 자연의 법칙입니다.