빛의 속도가 느려지면 어떤 일이 생길까요?

"만약 빛의 속도가 느려지면 어떤 일이 생길까요?"라는 질문에 과학자들은 "이상한 일이 일어날 것"이란 대답을 내놨습니다. 우주에서 가장 빠르게 움직이는 빛의 속도는 진공 상태에서 초당 약 186,000마일(초당 300,000km)입니다. 이러한 이유로 빛의 속도가 몇 배 더 느려진다면 인간은 즉시 알아챌 수밖에 없습니다.

 

스위스 취리히 연방 공과대학교의 교육 개발 및 기술 책임자 게르트 코르테마이어와 그의 동료들이 만든 컴퓨터 게임에서는 이러한 가상의 시나리오를 경험할 수 있습니다. 색상과 밝기가 변하는 기이한 효과를 볼 수 있는 이 게임에서는 훨씬 느린 빛의 속도로 인해 감지되는 물체의 길이 변화도 목격됩니다.

 

인간의 느린 속도

사람이 낼 수 있는 가장 빠른 속도에서도 인간은 빛에 비해 느립니다. MIT 게임 연구소의 연구 과학자인 필립 탄은 "인류가 여행한 가장 빠른 속도는 빛의 속도의 약 0.0037%이며, 이러한 속도에 도달하려면 일종의 우주선에 탑승해야 한다"라고 말했습니다. 그러나 미시간 주립 대학의 물리학 부교수인 코르테마이어는 "물리학자들은 사고 실험을 통해 인간이 빛의 속도에 가까운 속도로 여행할 수 있다면, 특이한 일이 일어날 것이라고 판단했다"라고 전했습니다.

 

속도가 질량, 시간 및 공간에 어떻게 영향을 미치는지 설명하는 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 이러한 상황에서 시간은 느려지고, 물체를 빠르게 지나갈수록 물체가 더 짧아지는 것으로 측정됩니다. 아울러 빛에는 도플러 효과가 나타나는데 인간이 속도를 높이는 대신 빛이 속도를 늦춘다면, 이와 동일한 변화가 일어날 것입니다. 연구자들은 "두 경우에서 우리는 거의 빛의 속도로 움직일 것"이라고 부연을 추가했습니다.

 

더 느린 빛의 속도

코르테마이어가 MIT에서 객원 교수로 근무하는 동안 그와 탄을 비롯한 게임 연구소의 동료들은 빛의 속도가 매우 느려서 특수 상대성 이론이 일상생활에서 눈에 띄게 된다면 세상이 어떠한 모습일지 설명하기 위해 컴퓨터 게임을 만들었습니다. 2012년 출시돼 '느린 빛의 속도'라 불리는 이 게임에서 플레이어는 비치볼 같은 구체를 수집하는 캐릭터를 조종합니다. 캐릭터가 100개의 오브 중 하나를 수집할 때마다 빛의 속도는 느려집니다.

 

실제로 빛의 속도는 게임에서처럼 느려지지 않으며, 진공 속에서 빛의 속도는 절대 변하지 않습니다. 코르테마이어는 "모든 관찰자에게 일정한 빛의 속도는 통과하는 물질에 따라 변할 수 있지만, 특수 상대성 이론의 효과나 우리가 그것을 인식하는 방식은 변하지 않는다"라고 이야기했습니다. 다만 특수 상대성 이론을 목격할 수 있다면 색상, 시간, 거리 및 밝기의 변화를 확인할 수 있으며 이들은 이러한 효과를 게임에 통합시켰습니다.

 

색상의 변경

인간의 움직임 속도가 빛의 속도에 가까워지면 상대론적으로 도플러 효과라는 현상이 감지됩니다. 이를 이해하기 위해서는 빛이 입자이자 파동으로 작용한다는 점을 인지해야 합니다. 파동은 파장, 즉 마루에서 마루까지의 거리로 측정되며 이는 색상과 빈도 및 주어진 시간에 몇 개의 마루가 지나가는지를 결정합니다. 도플러 효과를 음원에 접근시킬 경우, 파동의 정점은 귀에 더 빠르고 빠르게 도달함에 따라 주파수 또는 음조가 증가하는 것처럼 보입니다.

 

또한 광원을 향해 이동할 때는 파장이 짧아져 파장이 이동하는 것처럼 보입니다. 코르테마이어는 색상 스펙트럼의 파란색과 보라색 끝부분을 향한 빛의 겉보기 색상을 거론하며 설명에 나섰습니다. 코르테마이어는 "물체에서 멀어지면 물체의 겉보기 색상이 스펙트럼의 빨간색 끝 쪽으로 이동한다. 요약하자면 당신을 향해 다가오는 것은 더 파랗게 보이고, 당신에게서 멀어지는 것은 더 붉게 보인다"라고 말했습니다.

 

시간과 거리의 변화

특수 상대성 이론의 유명한 효과 중 하나는 빛의 속도에 가까운 인간의 경우 시간이 느려진다는 것, 이 시나리오에서 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 사람은 더 느리게 노화됩니다. 과학자들은 이 효과를 시간 팽창이라고 정의했습니다. 탄은 "게임에서 기술적으로 시간 팽창을 경험하고 있지만, 비교할 대상이 없으면 실제로 아무 의미가 없다"라고 말했습니다. 이어 그는 "게임 중에는 시간 팽창이 눈에 띄지 않을 수 있지만, 게임이 끝나면 플레이어는 고정된 시계보다 더 적은 시간이 지났음을 알리는 화면을 보게 된다"라고 덧붙였습니다. 특수 상대성 이론의 다른 효과와 마찬가지로 시간 팽창은 게임 중에 발생하는데, 이는 게임의 캐릭터가 빛의 속도에 가깝게 움직이기 때문입니다. 결국 특수 상대성 이론의 또 다른 효과는 빛의 속도에 가깝게 움직이는 물체 또는 빛의 속도에 가까운 속도로 지나갈 때 정지한 물체의 길이가 짧아진다는 것이며, 이를 길이 수축이라고 합니다.

 

코르테마이어는 "그러나 그 효과는 복잡하다"라면서 "빛의 속도에 가깝게 확대되는 물체는 고정된 관찰자의 측정에 따라 길이 수축을 경험할 수 있고 더 짧아질 수 있지만, 런타임 효과라고 불리는 특수 상대성 이론의 또 다른 효과로 인해 실제로 사람의 눈에는 더 길게 보일 것"이라고 설명을 보탰습니다. "자전거가 당신을 향해 다가오고 있다고 가정해 보자"라는 예시를 든 코르테마이어는 "자전거 앞쪽에서 나오는 빛은 뒤쪽에서 나오는 빛보다 눈에 도달하는 거리가 더 짧다. 결과적으로 자전거의 앞부분은 최근의 모습으로 보이고, 자전거의 뒷부분은 자전거가 더 멀리 떨어져 있던 과거의 모습처럼 보인다. 전체적으로 자전거가 더 길어 보일 것"이라고 말했습니다. 설명에 따르면 이 동일한 효과로 인해 때로는 개체가 뒤틀린 것처럼 보일 수 있습니다. 빛의 속도가 훨씬 느릴 경우에는 그 속도에 가깝게 움직이는 물체가 정지해 있는 관찰자에게 더 길게 보이거나 뒤틀려 보일 수 있습니다.

 

밝기 변경

이 내용을 이해하기 위해서는 빗속을 걸을 때 뒤보다 앞이 더 젖는 것을 상상하는 것이 도움이 됩니다. 코르테마이어는 "빗속으로 걸어갈 때 가만히 서 있을 때보다 더 많은 빗방울을 만나게 되지만, 앞쪽이 그 여분의 빗방울로부터 뒤쪽을 보호한다"라며, "빛의 속도에 가깝게 움직이면 비슷한 일이 일어난다"라고 주장했습니다.

 

이러한 주장을 뒷받침하는 이유는 빛이 때때로 빛의 작은 방울과 같은 광자라고 불리는 입자 집합처럼 행동하기 때문입니다. 컴퓨터 게임에서 물체를 향해 움직일 때 물체는 가만히 서 있을 때보다 더 밝게 보이는데 이는 광자 속으로 들어가고 있기 때문입니다. 과학에서는 이러한 현상을 서치라이트 효과라고 일컫습니다.

 

이상한 나라의 톰킨스 씨

코르테마이어와 탄은 빛의 속도가 느린 세상을 상상한 최초의 사람이 아닙니다. 지난 1939년 물리학자 조지 가모브는 '이상한 나라의 톰킨스 씨'라는 그림책을 출간했습니다. 이 그림책에서는 자전거를 타고 빛의 속도가 느려진 도시를 통과하며 상대론적 효과를 경험하는 주인공의 모습이 그려집니다. 코르테마이어는 "아인슈타인은 그 작은 그림책을 정말 좋아했다"라고 이야기했습니다.

 

"위대한 물리학자 아인슈타인은 더 느린 빛의 속도에 대해 어떻게 생각할까"라는 질문을 던진 코르테마이어는 "애초에 호기심이 그를 만들었을 수도 있다"라고 스스로 답했습니다. 코르테마이어는 "그는 이미 16세에 빛의 광선을 타고 있다면 무엇을 보게 될지 물었기 때문"이라며, "물론 당신은 볼 수 없지만, 게임에서는 빛의 속도에 거의 도달할 수 있다"라고 강조했습니다. 그러면서 그는 "하지만 그렇다면 그는 절망적으로 멀미가 날 때까지 비디오 게임만 했을 것 같다. 대부분의 물리학자는 여전히 장난을 좋아한다"라고 덧붙였습니다.