타임머신 현실적으로 가능한가?

시간여행은 영화에 자주 나오는 단골 주제다. 자신의 실수를 되돌리기 위해 어떤 장치나 능력을 사용해서 과거로 가서 과오를 바로 잡는다는 내용이 주된 줄거리다.

영화, 만화, TV 시리즈에서 자주 등장하는 타임머신은 과연 현실적으로 가능한 이야기일까?

광속을 이용한 시간여행

시간 여행자의 저자이자 코네티컷대학의 물리학 교수 로널드 몰렛은 어린 시절 아버지의 갑작스런 심장마비로 죽음을 맞이하였다. 이것을 계기로 타임머신에 대한 강한 동기를 얻었다고 한다.

다시 과거로 갈수만 있다면 아버지를 살릴 수 있지 않을까라는 생각에서다. 21세기인 지금 공개적으로 진행되고 있는 연구는 과연 몰렛 교수가 원하는 대로 과거로 갈 수 있는 것일까?

타임머신을 생각하면 항상 광속을 이용해 과거로 이동한다. 영화 슈퍼 히어로물을 포함해 스타트렉, 백투더퓨처, 인터스텔라 등 다양한 주제로 광속의 속도로 이동하는 순간 과거로 이동할 수 있다는 설정이 대부분이다.

스위스 제네바 유럽 입자 물리 연구소에서 초대형 가속기에서 뮤온을 광속에 근접하게 가속하면 수명이 늘어난다는 사실을 밝혀내었다. 이것을 두고 과학자들은 이렇게 뮤온에 적용한 시간의 속도를 늦추면 미래로 갈 수 있다고 믿고 있다.

하지만 과학자들이 착각하는 부분이 수명이 늘어났다고 해서 과거로 갈 수 있음을 증명하는 것이 아니며 환경에 따라 수명이 달라지므로 시간을 지연시킨 결과는 아니다.

중력을 이용한 시간여행

시간 여행자에게 중력은 질량에 의한 시공간을 왜곡할 수 있다는 증거라고 믿고 있다. 맨체스터대학의 물리학자 브라이언 콕스 교수의 말에 따르면 시공간은 어디에나 존재하고 인간의 미약한 인력은 시공간을 아주 조금 왜곡시키지만 블랙홀처럼 거대한 물체는 크게 왜곡시킨다고 한다.

빛이 은하를 지날 때 어떻게 휘는지 조사하면 질량에 의한 시공간 왜곡을 입증할 수 있는데, 이러한 시공간 왜곡은 타임머신 제작에 도움이 될 수 있다고 한다.

또한, 중력이 시공간을 왜곡하면 시간의 흐름에 영향을 미친다. 따라서 시공간의 왜곡은 과거로의 여행을 가능하게 해줄 수 있다고 믿고 있다.

2009년 작품 영화 스타트랙에서 시공간이 왜곡되어 미래로 간 악당 네로는 일어나지도 않은 일에 대한 “복수”를 하겠다며 이와 맞서 싸우는 주인공 커크의 이야기로 이 작품에서 시공간 왜곡의 원인을 블랙홀을 꼽는다.

그렇다면 어떻게 중력이 시공간을 왜곡시킬 수 있는 것일까?

당연하게도 중력이 시공간을 왜곡하는 것이 아니라 환경에 따라 빛의 속도가 달라지는 것이므로 시간의 차이는 달라질 수 있다. 예를 들어 중력을 지나치는 빛과 중력이 없는 빛의 두 속도차이는 당연히 다르다.

상대성 이론

상대성 이론을 근거로 시간여행이 가능할지도 모른다고 생각하는 사람이 많은 것 같다.

상대성 이론에 의하면 윔홀 출입구 중 한쪽을 빛에 가까운 속도로 이동시키면 그 출입구의 시간의 흐름이 다른 한쪽 출입구보다 늦어진다. 이 윔홀을 이용하면 과거로 가는 시간 여행을 할 수 있다.

다시말해 주변에 거대한 중력이 있다면 그 만큼 시간도 느리게 간다고 믿는 것이다.

길이 수축은 상대성 이론에 나오는 이야기다. 상대성 이론은 2가지 가정을 한다. 하나는 광속 불변의 원리와 상대성 원리가 그것이다. 상대성 원리는 모든 물리법칙은 동일하게 적용된다는 것.

상대성 이론을 요약하자면 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 시간이 느려지고, 운동량이 늘어나면서 길이가 짧아진다. 질량이 에너지로 바뀌거나 혹은 에너지가 질량으로 바뀔 수 있다는 것.

하지만 몇 년 전 한국 여성이 최초로 우주에 갔다 와서 한 예기가 있다. 지구 시간을 맞춰놓고 우주여행을 하고 왔는데, 시간은 똑같이 흘러갔다고 말했다.

이 말은 무엇을 뜻하는 것일까? 어느 지역에 있든 시계는 동일하게 흘러간다.

일정불변한 것은 없다.

소리는 파동의 한 종류로서 입자들이 존재해야 소리가 전달된다. 소리의 속력은 온도에 의해 변한다.

즉 주변 온도가 높으면 소리의 속력이 빨라지고, 온도가 낮으면 속력이 떨어진다. 그 이유는 온도가 높을수록 매우 빠르게 움직이고, 대류현상이 원활하게 일어나기 때문이다. 대류란 차가운 것은 아래로 내려오고, 따뜻한 것은 위로 올라가는 것을 말한다.

온도가 올라가면 부피가 팽창하는데, 이것은 밀도가 작아짐을 의미하는 것으로 밀도가 작아지면 소리의 속도가 빨라지게 된다.

빛이 전달되려면 주변에 입자가 존재해야 한다. 빛은 전자기파의 일종으로 헤르츠에 의해 전자기파 발생 실험을 통해 입증되었다. 광학에서는 파동으로 취급하고 있다.

만약 우주에 아무것도 존재하지 않는 그야말로 무(無)라면 빛은 멀리 퍼져나갈 수 없다.

지역에 따라 공기의 입자 분포가 다르듯이 우주의 지역에 따라 입자 분포가 다르면 빛의 굴절이나 중력에 의한 빛의 속도 차이는 충분히 달라질 수 있음을 생각할 수 있다.

예를 들어 밀도가 높은 지역에서 물체를 떨어뜨렸을 때와 낮은 지역에서 떨어뜨렸을 때의 두 속도 차이는 다를 수밖에 없다. 그러므로 상대성 이론이 말하는 일정불변의 법칙은 틀렸다고 봐야 한다.

간혹 타임머신이 가능하냐고 묻는 사람이 있다. 분명히 말하건대, 타임머신을 이용한 시간여행은 불가능하다. 정확히는 한번 지나간 과거는 바꿀 수 없다.

왜냐하면 이 세상에 일정불변한 것이 없기 때문이다. 

1초의 시간 단위는 오차가 생길 수 밖에 없고, 공전주기나 빛의 속도를 이용해 시간을 측정한 원시적인 방법일수록 오차는 더욱 커진다.

하루의 길이(자전주기)가 일정하지 않다는 사실은 익히 알려져 있다. 그래서 1956년에는 지구가 태양 둘레를 1년에 일주하는 공전 주기가 1초의 기준이 되었다. 그렇지만 공전 주기에 근거한 1초도 일정하지 않아 새로운 방법을 모색하였다.

그래서 천문학적인 측정 방식에 의존하지 않고, 시간을 정의하는 새로운 방법이 필요했으며, 그것이 정밀도가 높은 세슘 원자시계를 개발하였고, 1967년부터 원자시계를 근거한 1초가 정의되었다.

현재는 더욱 정밀도가 높은 연구가 진행되고 있으며, 가장 유력한 시계가 광격자 시계로 세슘 원자시계보다 1000배 정밀하다고 한다.

john@coconutpalms.info

사진 = 픽사베이

참고 네이버지식백과, 나무위키, physlab, 뉴턴 2018.06월호