② 밖에서 바라보는 관찰자가 빛이 한 번 반사될 때마다 시간을 측정한다고 가정해 보겠습니다.
<가정 1 : 기차가 정지해 있을 경우>
빛은 단순히 위아래로 이동하면서 시간이 측정될 것입니다.
즉, 관찰자 시점에서 빛은 직선 경로를 따라 움직입니다.
<가정 2 : 기차가 빠르게 움직일 경우>
관찰자 시점에서 빛은 위아래 방향이 아닌 대각선 방향으로 움직일 것입니다.
즉, 정지해 있을 때 보다 빛이 이동하는 거리가 더욱 길어지게 됩니다.
위 : 기차가 정지해 있을때 / 아래 : 기차가 빠르게 움직일 때
속도, 거리, 시간
여기서 중요한 점은 빛의 속도는 항상 일정(광속 불변의 법칙)하다는 사실입니다! 속도는 일정한데 빛이 이동한 거리가 늘어나게 된다?? 그렇다면 빛이 이동한 거리만큼 반사되는 데 걸리는 시간도 길어져야 합니다. 즉, 관찰자와 기차에 타고 있는 사람의 시간은 다르게 흐르는 것이죠!
2. 시간 지연(Time Dilation) - 쌍둥이 역설
쌍둥이 역설(Twin Paradox)
쌍둥이 역설은 특수 상대성 이론의 시간 지연현상을 설명하기 위해 만들어졌는데요!
두 명의 쌍둥이 A, B가 있고 A는 광속에 가까운 속도로 우주여행을 떠나고, B는 지구에 남아있습니다.
A의 속도는 B에 비해 매우 빠르므로 B의 입장에서는 A의 시간이 느리게 지나가게 됩니다.
Twins Study
실제로 2015년 NASA 우주 비행사 스콧켈리(Soctt Kelly)가 국제 우주 정거장(ISS)에 약 1년을 보내고
그의 일란성쌍둥이 형제 마크켈리(Mark Kelly)는 지구에 남아 있게 하여 우주여행이 인체에 미치는 영향을 실험하였습니다.
여기서 ISS는 지구를 주위로 시속 27,600km로 공전하고 있었는데요.
스콧 캘리가 지구로 돌아왔을 때 세포 노화의 바로미터(기준)가 되는 텔로미어의 길이에서 차이가 있었는데요!
스콧이 마크의 텔로미터보다 약 10% 길다는 관찰결과가 나왔습니다.
세포가 분열할수록 텔로미어가 짧아지기에 스콧의 노화는 마크보다 늦춰진 것이라 볼 수 있습니다!
※ 텔로미어 : 염색체 끝부분을 보호하는 DNA서열로 세포가 분열할 때마다 점점 짧아지는 특성을 가진다.
쌍둥이 역설
스콧은 마크보다 약 5밀리 초(0.005초) 정도 덜 노화했지만, 이는 눈 깜빡이는 시간보다 짧은 미미한 수준이었습니다.
또한, 스콧이 지구로 귀환한 후 수일 내에 텔로미어의 길이는 원래대로 돌아갔으며,
우주에서의 변화는 일시적인 현상으로 보였습니다.
이에 대해 연구자들은 우주 환경 자체보다는 규칙적인 생활과 엄격한 식단이 텔로미어를 일시적으로 길게 만든
요인일 가능성이 크다고 보고 있으며, 아직 명확한 결론은 나오지 않은 상태입니다!
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3. 길이 수축(Length Contraction)
길이 수축이란 말 그대로 엄청 빠르게 달리는 물체의 길이는 줄어든다는 개념입니다!
예를 들어 자동차가 정지해 있을 때 자동차의 길이를 4m라고 한다면?
관찰자 입장에서 빛의 속도에 가까워질수록 점점 줄어들어 3m, 2m... 1m처럼 보이게 될 수도 있는데요!
이것은 아까 시간 지연의 개념과 서로 깊이 연결된 개념인데요!
특수상대성이론에서 시간과 공간은 독립적인 개념이 아니라, 서로 영향을 주는 요소입니다.
어떤 물체가 빠르게 움직이면시간과 공간이 동시에 변해야 빛의 속도가 일정하게 유지될 수 있기 때문입니다.
어느 한쪽만 변해진다면 빛의 속도가 변해버려서 상대성이론이 성립하지 않기 때문이죠.
그래서 빛의 속도를 일정하게 유지하기 위해 시간도 늘어나고 길어도 줄어드는 효과가 동시에 발생하는 것입니다!
속도가 빨라짐에 따라 길이가 줄어드는 자동차
● 시간 지연(Time Dilaton) → 움직이는 물체의 시간은 느리게 간다. ● 길이 수축(Length Contarction) → 움직이는 물체의 길이는 줄어든다.
