빛보다 빠른 것은 있을까? 우주에서 가장 빠른 속도의 비밀

밤하늘을 바라보면 별빛이 눈앞에 바로 도착하는 것처럼 느껴집니다.

하지만 우리가 지금 바라보는 별은 사실 ‘현재의 별’이 아닐 수도 있습니다.

어떤 별빛은 수십 년을 달려왔고, 어떤 은하의 빛은 수백만 년, 심지어 수십억 년 동안 우주를 여행한 끝에 우리의 눈에 도착합니다.

그렇다면 이런 질문이 생깁니다.

“빛은 도대체 얼마나 빠른 걸까?”

그리고 더 궁금한 질문도 하나 생깁니다.

“혹시 우주에는 빛보다 빠른 것도 있지 않을까?”

오늘 철수와 함께 우리가 알고 있는 우주의 최고 속도를 찾아 여행을 떠나보겠습니다.

1. 빛은 1초 동안 지구를 몇 바퀴 돌까?

진공에서 빛의 속도는 초속 약 29만 9,792km입니다.

보통 쉽게 설명할 때는

초속 약 30만 km

라고 말합니다.

이 속도가 얼마나 빠른지 지구와 비교해볼까요?

지구 둘레는 약 4만 km입니다.

빛은 단 1초 동안 지구 둘레를 약 7바퀴 반이나 돌 수 있습니다.

“하나!”

하고 숫자 하나를 말하는 짧은 순간에도 빛은 이미 지구를 여러 바퀴 돌아버리는 셈입니다.

자동차로 시속 100km를 달리는 모습을 생각해보세요.

자동차가 서울에서 부산까지 가려면 몇 시간이 필요합니다.

하지만 빛이라면 같은 거리를 눈 깜짝할 사이보다 훨씬 짧은 시간에 지나갑니다.

그래서 오랫동안 사람들은 빛의 속도가 사실상 무한하다고 생각하기도 했습니다.

하지만 빛에도 분명한 속도 제한이 있었습니다.

2. 태양이 갑자기 사라진다면 우리는 언제 알게 될까?

조금 무서운 상상을 하나 해보겠습니다.

만약 지금 이 순간 태양이 갑자기 사라진다면 어떻게 될까요?

우리는 즉시 알아차릴 수 있을까요?

그렇지 않습니다.

태양과 지구 사이의 거리는 약 1억 5천만 km입니다.

태양빛이 이 거리를 건너 지구까지 오는 데 약 8분 20초가 걸립니다.

우리가 지금 보는 태양은 사실 약 8분 전의 모습입니다.

따라서 어떤 변화가 태양에서 일어났다고 해도 우리는 즉시 볼 수 없습니다.

정보가 우리에게 전달되는 데 시간이 필요하기 때문입니다.

바로 여기서 빛의 속도가 단순히 ‘빛이 움직이는 속도’ 이상의 의미를 갖게 됩니다.

현대 물리학에서 빛의 속도는 우주에서 정보와 인과관계가 전달될 수 있는 기본적인 한계 속도와 깊은 관계가 있습니다.

3. 아인슈타인이 발견한 놀라운 규칙

1905년 알베르트 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표했습니다.

그리고 우리가 평소 경험하는 세상과는 매우 다른 우주의 규칙을 설명했습니다.

그중 가장 유명한 내용 가운데 하나가 바로 이것입니다.

진공에서의 빛의 속도는 관측자의 움직임에 관계없이 일정하다.

예를 들어 여러분이 시속 100km로 달리는 자동차 안에서 앞으로 공을 던진다고 생각해봅시다.

밖에서 보는 사람에게는 자동차의 속도에 공의 속도가 더해집니다.

그래서 평소에는 속도를 더할 수 있습니다.

그런데 빛은 이상합니다.

빛을 향해 아무리 빠르게 달려가도 진공에서 측정한 빛의 속도는 여전히 같은 값으로 나타납니다.

대신 우리가 빠르게 움직일수록 시간과 공간의 측정 방식 자체가 달라집니다.

시간이 느려지고, 운동 방향의 길이가 줄어드는 상대론적 효과가 나타나는 것입니다.

우리가 일상생활에서 느끼기 어려운 이유는 자동차나 비행기의 속도가 빛에 비하면 너무 느리기 때문입니다.

4. 우주선이 계속 가속하면 빛보다 빨라질까?

그렇다면 아주 강력한 우주선을 만들어 계속 가속하면 어떻게 될까요?

처음에는 시속 1만 km.

그다음에는 10만 km.

100만 km.

1억 km.

계속 속도를 높인다면 언젠가는 빛을 추월할 수 있을 것처럼 보입니다.

하지만 상대성이론에서는 질량을 가진 물체를 빛의 속도까지 가속하는 것이 불가능합니다.

속도가 빛의 속도에 가까워질수록 물체를 더 빠르게 만들기 위해 필요한 에너지가 급격하게 증가하기 때문입니다.

빛의 속도에 도달하려면 이론적으로 무한한 에너지가 필요하게 됩니다.

그래서 사람이나 자동차, 우주선처럼 질량을 가진 물체는 아무리 뛰어난 기술을 개발하더라도 진공에서 빛의 속도를 단순히 추월하는 방식으로 가속할 수 없습니다.

우주가 우리 앞에 거대한 속도 제한 표지판을 세워놓은 것과 비슷합니다.

제한속도 : 약 299,792km/s

라고 말입니다.

5. 그런데 빛보다 빠르게 움직이는 것처럼 보이는 현상이 있다

재미있는 점은 여기서부터입니다.

과학자들은 실제 우주와 실험에서 빛보다 빠른 것처럼 보이는 여러 현상을 알고 있습니다.

그러면 아인슈타인이 틀린 것일까요?

그렇지는 않습니다.

여기에는 중요한 조건이 숨어 있습니다.

상대성이론이 금지하는 것은 질량을 가진 물체나 정보가 자신이 있는 주변 공간에서 진공의 빛보다 빠르게 이동하는 것입니다.

하지만 빛보다 빠른 것처럼 표현되는 현상 중에는 이 조건과 다른 경우가 있습니다.

대표적인 예가 우주의 팽창입니다.

6. 아주 먼 은하는 빛보다 빠르게 멀어질 수도 있다

우주는 팽창하고 있습니다.

아주 쉽게 생각하면 점이 찍혀 있는 고무풍선을 떠올릴 수 있습니다.

풍선을 불면 점들이 고무 표면을 직접 달려가지 않아도 점 사이의 거리가 점점 멀어집니다.

우주의 팽창도 비슷한 면이 있습니다.

아주 멀리 떨어진 은하 사이에서는 공간 자체의 팽창 때문에 서로 멀어지는 거리가 엄청난 속도로 증가할 수 있습니다.

충분히 먼 거리에서는 이 ‘후퇴 속도’가 빛의 속도보다 큰 값으로 나타나는 경우도 있습니다.

그렇다고 은하가 자기 주변 공간을 뚫고 빛보다 빠르게 날아가고 있다는 뜻은 아닙니다.

은하와 은하 사이의 공간 자체가 팽창하고 있기 때문입니다.

따라서 이것은 특수상대성이론에서 말하는 단순한 우주선의 초광속 이동과는 다른 이야기입니다.

7. 물속에서는 입자가 빛보다 빠르게 움직일 수도 있다?

여기에는 더욱 놀라운 현상도 있습니다.

빛은 진공에서는 초속 약 30만 km로 이동하지만, 물이나 유리 같은 물질 속에서는 진행 속도가 더 느려집니다.

그런데 아주 빠른 하전입자가 물속을 통과하면 그 물질 속에서 진행하는 빛보다 빠르게 움직이는 경우가 있습니다.

이때 푸른빛이 나타날 수 있습니다.

이를 체렌코프 복사(Cherenkov radiation)라고 합니다.

원자로 내부 사진에서 신비로운 푸른빛을 본 적이 있다면 바로 이 현상과 관련되어 있을 수 있습니다.

하지만 여기에서도 중요한 사실이 있습니다.

입자가 진공에서의 빛의 속도를 넘어선 것은 아닙니다.

물속에서 느려진 빛의 진행 속도보다 입자가 빨라진 것입니다.

그래서 상대성이론이 깨진 것이 아닙니다.

8. 양자 얽힘은 빛보다 빠른 통신일까?

이번에는 양자 세계로 들어가 보겠습니다.

두 입자가 특별한 관계를 가지는 양자 얽힘이라는 현상이 있습니다.

얽혀 있는 두 입자를 매우 멀리 떨어뜨려 놓더라도 측정 결과 사이에는 놀라운 상관관계가 나타납니다.

이 때문에 양자 얽힘을 설명할 때

“빛보다 빠르게 정보가 전달되는 것 아니야?”

라는 의문이 자주 등장합니다.

하지만 현재의 양자역학에서는 이를 이용해 우리가 원하는 메시지를 빛보다 빠르게 보내는 것은 불가능한 것으로 이해되고 있습니다.

예를 들어 지구와 화성에 얽힌 입자를 하나씩 가져다 놓았다고 해도,

“지금 출발해!”

같은 메시지를 상대방에게 즉시 전달하는 초광속 통신기로 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

양자 얽힘은 매우 신기한 현상이지만 우리가 SF 영화에서 보는 순간 통신 장치와는 다릅니다.

9. 그렇다면 ‘타키온’은 무엇일까?

물리학 이야기에서 가끔 타키온(Tachyon)이라는 이름을 듣게 됩니다.

타키온은 가설적으로 생각된 초광속 입자입니다.

만약 존재한다면 항상 빛보다 빠르게 움직이는 특이한 성질을 가져야 한다는 이론적 논의가 있었습니다.

듣기만 해도 SF 영화에 등장할 것 같습니다.

하지만 중요한 점이 있습니다.

현재까지 타키온이 실제 자연에 존재한다는 실험적 증거는 발견되지 않았습니다.

따라서 타키온을

“과학자들이 발견한 빛보다 빠른 입자”

라고 설명하면 안 됩니다.

현재로서는 실제로 확인된 입자가 아니라 이론적 논의 속에서 등장하는 개념에 가깝습니다.

10. 워프 드라이브는 가능할까?

SF 영화에서 가장 유명한 초광속 여행 방법은 단연 워프입니다.

우주선이 직접 빛보다 빠르게 달리는 대신 우주선 앞쪽의 공간을 줄이고 뒤쪽 공간을 늘려 이동한다는 아이디어입니다.

1990년대 물리학자 미겔 알쿠비에레는 일반상대성이론 방정식을 이용해 이와 비슷한 형태의 시공간 구조를 이론적으로 제시했습니다.

흥미로운 아이디어이지만 실제 우주선을 만들 수 있다는 뜻은 아닙니다.

필요한 에너지 조건과 물질의 성질을 포함해 해결해야 할 문제가 엄청나게 많습니다.

따라서 현재의 워프 드라이브는

“내일 만들 수 있는 우주선 기술”이 아니라 물리학적으로 가능성을 탐구하는 이론적 아이디어

라고 이해하는 것이 정확합니다.

11. 웜홀을 통과하면 빛보다 빨리 갈 수 있을까?

또 하나 자주 등장하는 것이 웜홀(Wormhole)입니다.

종이에 점 두 개를 찍어봅시다.

종이 위를 따라 두 점 사이를 이동하려면 긴 거리를 지나가야 합니다.

하지만 종이를 접어 두 점을 맞댄 뒤 구멍을 뚫는다면 어떨까요?

훨씬 짧은 길로 건너갈 수 있습니다.

웜홀의 기본적인 비유가 바로 이것입니다.

우주선이 공간 속에서 빛보다 빠르게 달리는 것이 아니라 시공간의 지름길을 이용하는 것입니다.

일반상대성이론에서는 웜홀과 관련된 수학적 해를 논의할 수 있습니다.

하지만 사람이 통과할 수 있는 안정적인 웜홀이 실제 우주에 존재하는지는 확인되지 않았습니다.

또 인공적으로 만들거나 안정적으로 유지할 방법도 현재 알려져 있지 않습니다.

12. 우리가 보는 밤하늘은 거대한 타임머신이다

빛의 속도가 유한하다는 사실은 아주 아름다운 결과를 만들어냅니다.

밤하늘이 바로 과거를 볼 수 있는 거대한 창문이 되는 것입니다.

달빛은 약 1.3초 전의 모습입니다.

태양은 약 8분 전의 모습입니다.

태양 다음으로 가까운 별들조차 몇 년 전의 모습을 보여줍니다.

안드로메다은하는 약 250만 년 전 출발한 빛을 우리에게 보내고 있습니다.

더 먼 은하를 관측할수록 우리는 더 오래전 우주의 모습을 바라보게 됩니다.

거대한 천체망원경이 먼 우주를 바라보는 것은 단순히 ‘멀리 보는 것’이 아닙니다.

시간을 거슬러 과거의 우주를 보는 것과도 같습니다.

그래서 천문학자는 먼 우주를 관측하면서 초기 우주가 어떻게 별과 은하를 만들어냈는지 연구할 수 있습니다.

13. 빛보다 빠른 것이 발견된다면 어떻게 될까?

상상해봅시다.

어느 날 과학자들이 정보를 진공의 빛보다 빠르게 전달할 수 있는 방법을 실험으로 확인했다고 가정해보겠습니다.

그것은 단순히 새로운 통신기술 하나가 등장하는 정도의 사건이 아닙니다.

현대 물리학의 기본 구조를 다시 검토해야 할 만큼 중요한 발견이 될 것입니다.

상대성이론에서는 시간과 공간, 원인과 결과가 서로 깊게 연결되어 있기 때문입니다.

초광속 정보 전달이 가능해진다면 어떤 관측자에게는 사건의 순서가 매우 이상하게 나타날 가능성까지 고려해야 합니다.

그래서 과학자들은 빛의 속도와 관련된 실험에서 아주 작은 이상 현상이 나타나더라도 반복 측정과 검증을 거칩니다.

2011년에는 중성미자가 빛보다 빠르게 이동한 것처럼 보인다는 실험 결과가 발표되어 전 세계의 관심을 받은 적도 있습니다.

하지만 이후 장비와 측정 과정의 문제가 확인되면서 초광속 입자가 발견된 것이 아닌 것으로 밝혀졌습니다.

과학에서 놀라운 주장을 확인하려면 그만큼 강력한 검증이 필요합니다.

14. 결국 빛보다 빠른 것은 있는 걸까?

지금까지의 이야기를 정리해보겠습니다.

현재 우리가 확인한 물리학에서

질량을 가진 물체가 주변 공간을 지나 진공의 빛보다 빠르게 가속해서 이동하는 방법은 알려져 있지 않습니다.

하지만 우주의 팽창처럼 공간 자체의 변화 때문에 아주 먼 천체 사이의 거리가 빛보다 빠른 비율로 증가하는 상황은 가능합니다.

물질 속에서는 입자가 그 물질 속의 빛보다 빠르게 이동하며 체렌코프 복사를 만들 수도 있습니다.

양자 얽힘은 놀라운 상관관계를 보여주지만 이를 이용해 원하는 정보를 빛보다 빠르게 전송할 수는 없습니다.

그리고 워프 드라이브, 웜홀, 타키온 같은 아이디어는 여전히 흥미로운 이론의 영역에 남아 있습니다.

철수의 과학여행 한눈에 정리

• 진공에서 빛의 속도는 초속 약 30만 km다.
• 빛은 1초에 지구를 약 7바퀴 반 돌 수 있다.
• 태양빛은 지구까지 약 8분 20초가 걸린다.
• 질량을 가진 물체를 빛의 속도까지 가속할 수 있는 방법은 현재 알려져 있지 않다.
• 아주 먼 은하는 우주의 팽창 때문에 빛보다 빠른 속도로 멀어지는 것으로 표현될 수 있다.
• 체렌코프 복사는 입자가 물질 속에서 그 물질 속의 빛보다 빠르게 움직일 때 나타날 수 있다.
• 양자 얽힘으로 원하는 정보를 초광속 전송할 수 있는 것은 아니다.
• 타키온·워프·웜홀은 아직 실제 초광속 여행 기술로 확인되지 않았다.

  

 

마치며

우리에게 빛은 너무나 빠릅니다.

하지만 우주의 크기 앞에서는 빛조차 느려 보입니다.

태양에서 지구까지 8분.

가장 가까운 별까지 몇 년.

은하를 건너려면 수만 년.

다른 은하까지는 수백만 년이 필요합니다.

우주는 이렇게 우리에게 묻는 것 같습니다.

“빛보다 빠른 길을 찾을 수 있겠니?”

아직 인류는 그 답을 찾지 못했습니다.

어쩌면 빛의 속도는 영원히 넘을 수 없는 우주의 법칙일 수도 있습니다.

하지만 한때 불가능하다고 생각했던 수많은 현상을 과학이 밝혀왔듯, 우리는 계속 우주를 관측하고 질문할 것입니다.

그리고 바로 그 질문에서 다음 과학여행이 시작됩니다.

“우리가 빛의 속도에 가까워진다면 시간은 정말 느려질까요?”

다음 여행에서는 ‘시간이 느려지는 우주’의 세계로 떠나보겠습니다.

철수와 떠나는 과학여행

철수와 떠나는 과학여행 | Chulsoo’s Science Journey