시공간의 비밀: 시간과 공간이 하나로 얽힌 우주의 ‘직물’

시공간은 대부분의 사람들이 완전한 별개의 개념으로 생각하는 두 가지, 즉 시간과 공간을 결합한 모델이다.

이 시공간 모델에서 우리 우주는 네 개의 차원을 가진다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 차원은 공간의 차원이다 — 길이, 너비, 높이. 이들은 사건이 어디서 발생하는지를 설명한다. 네 번째 차원은 시간의 차원이다. 이는 사건이 언제 발생하는지를 설명한다.

공간과 시간이 서로 얽혀 있다는 개념은 이상하게 보일 수 있다. 하지만 시공간 모델은 우리가 우주에서 관찰하는 현상들을 설명해준다.

속도와 질량이 만들어내는 변화: 시간 지연의 원리

우선, 물체의 속도가 그 물체가 경험하는 시간의 흐름에 어떠한 영향을 미치는지를 설명한다. 일상에서는 그 차이가 너무 작아 이를 느끼지 못한다. 그러나 무언가가 공간을 매우 빠르게 이동할 때, 시간을 이동하는 속도는 더 느릴 수 있다. 이를 가리켜 시간 지연이라고 한다.

시공간 모델은 또한 물체의 질량이 시간에 영향을 미치는 이유도 설명한다. 물리학자들은 종종 시공간을 ‘직물’이라고 상정한다. 극도로 질량이 큰 물체는 이 직물을 ‘움푹 패이게’ 하여 다른 물체들이 그쪽으로 쏠리게 한다. 이것이 우리가 경험하는 중력이라는 힘이다. 그러나 시간과 공간이 서로 얽혀 있기 때문에, 질량이 큰 물체는 단순히 공간만 움푹 패이게 하는 것이 아니다. 시간도 움푹 패이게 만든다. 그 결과 중력이 가장 크게 작용하는 공간에서 질량이 큰 물체 주변의 시간은 느리게 흐른다.

이러한 개념은 2014년 영화 ‘인터스텔라’에도 등장한다. 영화 속 우주비행사들은 블랙홀 근처의 행성을 탐사하는데, 블랙홀은 강력한 중력을 발휘하여 행성에서의 시간 흐름을 늦춘다. 우주비행사들이 이 행성에서 1시간을 보낼 때마다 지구에서는 7년이 흐른다.

일상 속의 시공간: 위성 GPS 시계의 미세한 조정

하지만 시간과 공간이 얽혀 발휘하는 영향력을 경험하기 위해 먼 행성까지 갈 필요는 없다. 시공간은 우리의 일상생활에도 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, 지구 궤도를 도는 위성은 매초마다 우리보다 더 많은 공간을 이동한다. 이 속도 차이는 위성 시계가 시간을 측정하는 방식에 미세한 차이를 일으킨다. 위성 시계는 지구상의 시계보다 하루에 약 7마이크로초(7백만분의 1초) 더 느리게 작동한다.

중력 역시 위성 시계에 영향을 미친다. 위성 궤도에서 경험하는 낮은 중력은 하루에 45마이크로초(45만분의 1초)씩 시계를 빨라지게 한다.

이러한 효과가 종합적으로 나타나면, 지구와 위성 궤도의 시차는 38마이크로초가 된다. 엔지니어들은 위성 시계를 설정할 때 이 점을 고려하는데, 이렇게 하면 위성이 궤도에 진입해 지구와 시차가 나도 지상의 시계와 맞출 수 있게 된다.

성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr

출처: Science News Explores, “Scientists Say: Spacetime”