시간여행을 할 수 있는 원리와 방법

영화‘인터스텔라’를 보면 우주선을 타고 우주를 갔다 왔더니 지구의 시간이 빨리 지나가 있는 장면을 볼 수 있다. 또한 영화 ‘백 투 더 퓨처’에서는 과거로 시간여행을 가서 문제를 해결하고 현재로 돌아온다. 타임머신을 타고 미래나 과거로 시간여행을 간 것이다. 영화에서나 볼 수 있는 시간여행이 현실적으로 가능한지 그리고 어떠한 원리로 할 수 있는지 알아보자.

시간여행 이해의 기초가 되는 특수 상대성 이론과 광속도 불변의 원리

시간여행을 이해하기 위해서는 특수 상대성 이론과 광속도 불변의 원리를 알아야 한다.
시속 100km로 달리는 기차 안에 영희가 있고 시속 110km로 달리는 기차 안에 철수가 있다고 가정해보자. 두 기차가 나란히 출발하면 영희는 철수가 탄 기차가 시속 10km로 앞으로 달리는 것처럼 보이고 철수는 영희가 탄 기차가 시속 10km로 뒤로 달리는 것처럼 보인다. 다른 사람이 기차 밖에서 철수와 영희를 보면 각각 시속 100km와 110km로 가는 것으로 보인다. 즉 관측자의 위치와 상태에 따라 상대적이라는 것이다.

그렇다면 우주선이 빛의 속도로 날아갈 때 우주선 안에서 빛은 멈춰 보일까? 광속도 불변의 원리 때문에 우주선 안에서 보는 빛은 멈춰 있지 않고 똑같이 빛의 속도로 나아간다. 광속도 불변의 원리는 어떤 상황에도 빛은 빛의 속도 299,792,458 m/s 이고 절대 변하지 않는 것이다. 그래서 우주선이 광속으로 날아가더라도 우주선 안에서 보는 빛의 속도는 그대로 이다.

따라서 광속은 빛이 나아간 거리를 시간으로 나눈 것으로 빛의 속도가 변하지 않는다면 이러한 모순을 이해하기 위해 시간의 흐름이 달라질 것이다. 실제로 초속 24만km로 날아가는 우주선은 우주선 밖에서 1초가 경과할 때 우주선 안에서는 0.6초밖에 경과하지 않는다. 그래서 우주선이 빛의 속도로 날아가면 우주선 안은 거의 시간이 멈추게 된다.

또한 빛은 초중력체에 의해 휘어질 수 있는데 안쪽이 바깥쪽 보다 속도가 느려지는 것을 볼 수 있다. 하지만 빛의 속도는 변화하지 않으므로 속도 대신 시간이 바깥쪽보다 안쪽이 느리게 흐른다는 것을 예상할 수 있다.

미래와 과거로 가는 시간여행 방법

미래로 가는 시간여행은 위에서 설명했듯이 빛의 속도만큼 우주선을 타고 날아갔다가 오면 지구의 시간은 우주선 안보다 훨씬 많이 흘러갔을 것이다. 우주선 속도를 조절하면 얼마든지 미래로 가는 시간여행은 가능하다.

과거로 가는 시간여행은 미래로 가는 것 보다 복잡하고 어렵다. 그 이유는 우주 시공간 왜곡의 통로인 웜홀을 이용해야하기 때문이다. 현재까지는 웜홀의 존재나 가능성이 명확하게 입증되지는 않았지만 만약 웜홀이 존재한다면 과거로 가는 시간여행은 이론적으로 가능하다. 웜홀의 출입구 중 하나를 빛의 속도로 멀리 보냈다가 가져오면 그 출입구는 다른 출입구 보다 시간의 흐름이 느려질 것이다. 예를 들어 2023년에 하나의 출입구를 빛의 속도로 멀리 보내고 10년 뒤에 다시 가져오면 기존 출입구의 시간은 2033년이지만 다른 하나는 2025년으로 이 웜홀을 통하면 과거로 가는 시간여행이 가능하다.