시간과 빛의 관계에 대해 궁금합니다

Question

시간이 흐른다 라는건 사물이 얼만큼 변화 했는지에 따라 인간이 정의한?거라 생각하는데요

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빛이 측정기(사람의 눈 또는 측정장비)에 도달해야지만 시간이 변화했다고 "생각"을 하는거라 보는데요

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시간이 다르게 간다는게 이해가가질않습니다.

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영화 인터스텔라에 나오는 부분인 블랙홀에 가까이 갈수록 빛이 중력의 영향을 받아서 시간이 느리게 간다라는 내용이

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실제는 그 빛이 우리 눈(또는 측정장비)에 도달하는게 늦어졌을뿐이지 지구라는 공간에서의 물질의 변화와

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블랙홀의 영향을 받는 공간에서의 물질의 변화속도는 같다고 생각을 하거든요

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태양빛이 지구에 도달하기까지의 시간이 약 8분 19초가 걸리지만 실제로는 지구에서의 시간과 태양에서의 물질의변화는 동시에 이루어 지고 있는거잖아요?

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단순히 빛이 우리에게 도달하는게 늦어지고 그걸 관측하는게 시간이 다르게 흐른다라고 보는건지 궁금합니다.

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Answer 1

안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.

상대성이론에 따라 시간의 흐름은 절대적인 것이 아닙니다.

관찰자에 따라 시간이 다르게 흐를 수 있습니다. 이를 이해하기 위해서는 먼저 빛의 속력은 어느 관찰자에 대해서나 일정하다는 사실을 알아야합니다.

만약 초속 10m/s로 달리는 차량에서 달리는 방향으로 빛을 쏜다면, 차량 밖에 정지한 사람이 측정한 빛의 속력과 차량내의 사람이 측정한 빛의 속력은 얼마일까요?

놀랍게도 모두 빛의 속력이 30만 km/s로 동일합니다. 이는 실험적으로도 증명된 사실입니다. 보통의 물질(예를들어 공)은 차량에서 30m/s로 던지게 되면 차량 내의 사람이 볼 때에는 30m/s로 날아가며, 차량 밖 정지한 사람한테서는 40m/s로 날아갑니다. 관찰자에 따라 다르게 측정되죠. 하지만 신기하게도 빛은 그 어떤 관찰자에게도 동일한 속력으로 날아갑니다.

이러한 빛의 특징은 굉장히 강력하게 작용할 수 있습니다. 어떠한 척도가 될 수 있습니다. 어느 관찰자에 대해서나 빛의 속력은 일정하니 이를 이용하여 시간을 잴 수 있습니다. 빛이 30만km를 이동하는데 1초가 걸리므로, 특정 거리를 이동하는 정도를 시간을 측정할 수 있습니다.

대표적인 예시로 달리는 기차내의 관찰자와 기차 바깥에 정지한 관찰자 사이에 시간측정이 있습니다. 달리는 기차 내에 위아래로 거울을 설치하여 빛을 왕복운동시킵니다. 또한, 기차 밖 정지한 사람 옆에도 똑같이 거울을 설치하여 빛을 왕복운동시킵니다.

기차 바깥의 정지한 사람을 기준으로 생각해봅시다.

기차 바깥의 빛이 왼쪽 그림처럼 왕복운동할 때,

기차 내에 있는 빛은 오른쪽 그림처럼 기차 방향을 따라 대각선 방향으로 이동하는 것 처럼 보이죠.

즉, 기차 바깥에 있는 사람이 관측하기에는 기차 내에 있는 사람이 빛을 볼 때

그림의 왼쪽과 같이 빛이 이동했을 것이라고 판단합니다.

즉, 기차 바깥에는 첫번째 사진의 왼쪽처럼 빛이 이동한 경로가 길지만, 기차 안의 빛이 이동한 경로는 거울과 거울사이 간격밖에 되지 않습니다.

그리고 여전히 빛의 속력은 기차 안이나 밖이나 동일하죠.

즉, 기차 바깥에 정지한 사람에게 있어, 기차 바깥의 사람의 시간이 많이 흘렀고, 기차 내의 시간이 적게 흘렀다고 판단합니다.

물론 반대로 기차 내의 사람의 입장에서는 반대로 생각됩니다. 왜냐하면 움직임은 상대적으로 느끼기 때문에 시간의 흐름도 상대적으로 느끼죠. 이러한 것이 특수상대성이론의 결과입니다.

이처럼 일반 상대성이론에서는 가속운동 혹은 중력장 내의 상황에서 시간의 흐름을 다룹니다. 중력이 강한, 혹은 가속도가 큰 경우에 있어서는 중력이 작거나 가속도가 작은 경우보다 시간이 느리게 흐릅니다.

상대성 이론은 실험적으로 증명된 사실이며, 시간은 더이상 절대적이지 않다는 것을 알려주었죠.

Answer 2

시간의 개념은 상대성 이론에 따라 이해되어야 합니다. 알버트 아인슈타인의 상대성 이론은 우리가 평소에 생각하는 시간의 개념이 고정된 것이 아니라, 관측자의 상대적인 속도와 중력에 따라 다르게 경험될 수 있다는 것을 설명합니다. 이로 인해 여러 가지 현상이 발생하며 시간은 공간과 더불어 하나의 연속체로 이해되어야 합니다.

1. 시공간 곡률: 물체 주위의 중력이나 가속에 따라 시간과 공간의 구조가 휘어지는 현상을 시공간 곡률이라고 합니다. 이에 따라 빛이 중력이 강한 블랙홀 주변으로 가까이 갈수록 경로가 휘어지게 되고, 빛이 블랙홀을 향해 이동할 때 경로의 곡률로 인해 우리가 지켜보는 빛의 도달 시간이 느려집니다. 이것이 블랙홀 근처에서 시간이 더 느리게 경과되는 이유입니다.

2. 상대적 속도: 상대성 이론에 따르면 물체의 속도에 따라 시간의 경과율이 변할 수 있습니다. 이는 아주 빠른 속도에서 물체의 진행 방향과 수직인 방향으로 시간이 찌그러지는 현상으로 표현됩니다. 따라서 우주선이 매우 빠르게 움직이는 경우 지구에서 관측하는 시간과 우주선 내부에서 경험하는 시간이 서로 다를 수 있습니다.

빛이 지구에서 블랙홀 주변으로 가까이 갈 때 느리게 도달한다는 것은 이러한 상대성 이론의 결과입니다. 이러한 현상을 관측자가 어떻게 인지하느냐에 따라 시간의 경과율이 다르게 느껴지게 됩니다. 따라서 태양에서 발생한 빛이 지구에 도달하는 데 시간이 걸리더라도 우리가 태양과 지구에서 동시에 발생한 사건을 관찰하면, 빛이 태양과 지구 사이에서 늦게 도달했더라도 우리가 관측하는 시간의 차이가 없게 보일 것입니다. 이는 상대성 이론이 제시하는 현상으로서 우리의 통념과는 다소 다른 시각으로 시간을 이해해야 하는 개념입니다.