빛의 속도 착시 실험, 아인슈타인의 시공간을 눈으로 보다

빛의 속도에서 물체는 어떻게 보일까. 과학자들이 초고속 레이저와 특수 카메라를 이용해, 이 질문에 대한 답을 실험실 안에서 시각화하는 데 성공했다. 아인슈타인의 특수상대성이론이 예측한 ‘로렌츠 수축(Lorentz contraction)’ 대신, 빛의 전달 시간 차로 인해 물체가 회전한 듯 보이는 현상이 실제 이미지로 재현된 것이다.

이 연구는 오스트리아 빈 공과대학의 도미니크 호르노프 연구팀이 수행했으며, 결과는 국제학술지 커뮤니케이션즈 피직스(Communications Physics)에 게재됐다.

빛보다 빠른 착시, ‘테렐–펜로즈 효과’의 시각화

1905년 발표된 아인슈타인의 이론에 따르면, 빠르게 움직이는 물체는 운동 방향으로 짧아져 보인다. 하지만 1959년 로저 펜로즈와 제임스 테렐은 “관찰자는 실제로 찌그러진 물체를 보지 못할 것”이라고 주장했다.
물체의 각 부분에서 출발한 빛이 도달하는 시간이 달라, 시각적으로는 수축 대신 회전한 듯 보이는 착시가 발생한다는 것이다. 이를 ‘테렐–펜로즈 효과(Terrell–Penrose effect)’라고 한다. 호르노프 연구팀은 이 이론적 착시를 실험실에서 구현하는 데 처음으로 성공했다.

빛의 속도를 흉내 낸 정육면체와 구

실제로 물체를 빛의 속도에 가깝게 움직일 수는 없다. 연구진은 초단 레이저 펄스와 게이트 카메라를 이용해 이를 모사했다. 한 변이 1미터인 정육면체를 놓고, 300피코초(1조분의 1초)의 짧은 레이저 펄스를 쏜 뒤 반사된 빛을 촬영했다.

촬영할 때마다 정육면체를 4.8cm씩 이동시켜, 빛의 속도의 약 80%로 이동한 것과 같은 효과를 만들었다. 이렇게 얻은 수많은 단면(slice) 이미지를 합성하자, 실제로 정지한 물체가 초고속으로 질주하는 듯한 영상이 완성됐다. 호르노프는 “모든 단면을 합치면, 물체가 전혀 움직이지 않았는데도 빠르게 달리는 것처럼 보인다”며 “이는 빛의 도달 시간 차가 만들어낸 기하학적 착시일 뿐”이라고 설명했다.

연구팀은 구 형태의 물체로도 실험을 반복했다. 구를 약 6cm씩 이동시켜 빛의 속도의 99.9% 수준을 재현한 결과, 실제로 회전하지 않았음에도 측면이 드러난 듯한 영상이 만들어졌다.

상대성이론의 시각적 이해로

이번 실험은 특수상대성이론을 부정하는 것이 아니라, 그 이론이 예측하는 시공간의 시각적 효과를 직접 보여준 것이다. 빠르게 움직이는 물체는 실제로 이동 방향으로 물리적 수축이 일어나지만, 관찰자가 보는 모습은 다르다.
빛의 각 부분이 도달하는 시차로 인해, 카메라에는 물체가 약간 회전한 것처럼 기록된다.

연구진은 이번 결과가 우주에서 고속으로 움직이는 천체의 왜곡된 관측 이미지를 해석하는 데에도 응용될 수 있다고 보고 있다. 호르노프는 “상대성이론의 추상적 개념을 눈으로 볼 수 있게 만든 첫 사례”라며 “빛과 관찰의 관계를 새롭게 이해할 수 있는 길을 열었다”고 말했다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr