(최초관측)빛의 속도로 이동하는 물체는 회전하는 것처럼 보입니다.

 

 

 

빛의 속도로 움직이는 물체는 과연 어떤 모습일까요?

특수 상대성 이론에 따르면,

물체가 빛의 속도에 가까워질수록 회전하는 것처럼 보이는

'테렐 효과(Terrell rotation)'가 나타날 것으로 예측됩니다.

 

하지만 과학자들은 오랫동안 이 현상을 실제로 관측하지는 못했습니다.

 

물체를 빛의 속도로 가속하고 또 촬영할 수 있는 방법이 전혀 없기 때문이죠.

그런데 최근, 과학자들이 마침내 이 테렐 효과를 포착하는데 성공했다고 발표했는데요.

 

과연 빛의 속도로 움직이는 물체는 어떤 모습을 하고 있었을까요?

 

아니 그건 그렇고..

물체를 어떻게 빛의 속도로 움직이게 만들 수 있었을까요?

 

 

 

 

 

매우 빠르게 이동하는 우주선의 모양이 늘어나거나 줄어듭니다.

 

이런 장면을 SF 영화에서 한번 쯤 보신 적이 있으실텐데요.

 

사실 이러한 장면은, '로렌츠 수축'이라는 이론에 기반하고 있습니다.

 

 

 

과장된 영화의 장면

 

 

 

일반적으로 카메라는, 카메라에 도착한 빛을 모아서 형상을 만들어 냅니다.

 

이 때, 먼 곳의 빛은 카메라에 도달하는데 좀 더 시간이 오래 걸리게 됩니다.

 

따라서 사진을 찍는 순간,

가까운 물체의 빛은 더 빨리 도착하고, 먼 곳의 빛은 나중에 도착하게 되죠.

 

즉, 카메라로 찍은 사진 속에서 먼 곳의 모습은 가까운 곳보다

더 과거의 정보를 담고 있는 겁니다.

 

예를 들어, 축구 경기를 촬영한 사진을 보고 있다고 가정해 봅시다.

 

 

 

 

 

가까이 있는 선수의 발에서 나온 빛은

카메라에 거의 즉시 도달했습니다.

 

하지만 더 멀리 있는 골대에서 나온 빛은,

선수의 발에서 나온 빛보다 약간 늦게 도착하게 되었죠..

 

사진은 이 모든 빛을 동시에 기록하지만,

실제로 빛이 출발한 시간에는 각각 차이가 있다는 겁니다.

 

그런데 만약 촬영의 대상이 고속으로 움직이고 있다면 어떻게 될까요?

 

예를 들어, 축구 선수가 거의 빛의 속도로 달린다고 가정을 해 보겠습니다.

 

위에서 설명했듯이 선수의 몸 각 부분에서 나오는 빛은

카메라에 도달하는데 각각 다른 시간이 걸리게 됩니다.

 

선수의 발에서 나온 빛, 몸에서 나온 빛,머리에서 나온 빛..

모두 도착 시간이 다르죠.

 

 

 

 

 

하지만 빛이 카메라에 도달하는 동안에도

선수는 계속 빠르게 이동하고 있습니다.

 

즉, 선수의 발에서 나온 빛이 도달할 때,

머리의 빛이 도달할 때 선수의 위치는 실시간으로 달라지게 되는 겁니다.

 

어쨋든 사진은 이 모든 빛을 한 순간으로 기록하게 됩니다.

 

하지만 정확히 사진은 각각 다른 시간에 출발한

빛들이 모여서 만들어진 이미지라고 할 수 있죠.

 

이러한 시간의 차이가 있기 때문에,

거의 빛의 속도로 달리는 선수의 실제 모습과

사진 속의 모습은 다소 다르게 보일 수 있는데요.

 

과학자들은 카메라로 촬영하게 되면,

선수가 달리고 있는 방향 쪽으로 약간 납작해져 보이게 될 것이라 예측합니다.

 

이는 선수가 너무 빠르게 움직이니까,

선수의 몸에서 나오는 빛에 약간의 차이가 생기 때문인데요.

 

촬영하는 순간에도 선수는 계속 달리고 있기 때문에,

선수의 발, 머리가 있던 자리가 계속 달라지기 때문입니다.

 

그래서 사진을 찍으면, 마치 선수가 움직이는 방향으로

찌그러지는 것처럼 보이게 될 것이라는 겁니다.

 

SF영화에 등장하는 우주선들은 이러한 원리를 이용해서

늘어나거나 줄어들거나 하는 식으로 표현하는 경우가 있죠.

 

 

 

과장된 영화의 장면

 

 

 

하지만 1959년에 로저 펜로즈와 제임즈 텔렐은,

한 가지의 의문을 제기하게 되는데요.

 

이렇게 빠르게 움직이는 물체를 촬영하면, 정말 납작해 질까?

 

혹시 특수상대성 이론에서 예측했던 것 처럼, 

회전하는 것처럼 나타나지는 않을까? 라고 지적했습니다.

 

물체의 각 부분에서 반사되는 빛이 모두 다르다는 이야기는,

우리의 눈에 도달하는데 시간의 차이가 발생된다는 얘기가 됩니다.

 

그래서 물체가 움직이는 방향에 따라

물체의 각 지점들이 보이는 각도가 달라지게 되고,

이는 물체가 마치 회전하는 것처럼 보이게 되는

시각적 왜곡을 일으킬 수 있다는 거죠.

 

즉, 물체에서 나오는 빛이 지연된다는 점은,

로렌츠 수축 가설과 동일하지만

그 결과는 전혀 다르게 나타나게 될 것이라 예측했던 겁니다.

 

예를 들어, 엄청 빠르게 움직이는 공을 찍으면,

둥근 모양 그대로 나타나지만, 약간 회전하는 것처럼 보일 수 있습니다.

 

마찬가지로 엄청나게 빠른 속도로 움직이는 상자를 찍으면,

여전이 네모난 모양이지만, 약간 돌아간 모양으로 보이게 된다는 거죠.

 

 

 

 

 

만약 이 예측이 맞다면, 영화에서 나오는 장면들은

모두 틀린 장면이 되어버리는 겁니다.

 

암튼, 무엇이 맞는지는 확인을 해 보면 알 수 있을텐데요.

 

하지만 기술적으로 빛의 속도로 이동하는

물체를 준비하는 것은 불가능 합니다.

 

그래서 그동안 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해서

CG로 구현해 보는 수 밖에 없었습니다.

 

하지만 컴퓨터 시뮬레이션의 경우 입력 값에 따라서

매번 결과 값이 달라지는 문제가 있었죠.

 

그러던 중, 최근에는 아주 짧은 순간

빛의 움직임을 포착하는 기술이 개발되었는데요.

 

과학자들은 이 기술을 이용해서,

테럴 효과를 직접 보고 싶다는 강한 의지가 생기게 되었습니다.

 

역사상 그 누구도 본 적 없었던,

빛의 속도로 움직이는 물체의 모습.

 

과연 과학자들은 성공했을까요?

그리고 어떻게 물체를 빛의 속도로 이동시켰을까요?

 

 

 

 

 

 

과학자들이 이용한 방법은

초고속 레이저와 초고속 카메라였습니다.

 

이 초고속 카메라는 1조 분의 1초를 포착할 수 있을

정도의 매우 높은 성능을 가진 특수 카메라인데요.

 

과학자들은 공 모양의 물체에 레이저 빛을 쏴서

반사되는 빛을 이 카메라로 촬영했습니다.

 

이렇게 하면 아주 짧은 거리를 이동하는 레이저 빛을,

1조 분의 1초 단위로 찍을 수 있게 되죠.

 

하지만 물체는 여전히 그 자리에 그대로 있습니다.

 

이 물체를 빛의 속도로 이동시킬 수 있어야만,

그 진실을 알 수 있게 될 겁니다.

 

하지만 물체를 진짜 빛의 속도로 이동시킬 수는 없습니다.

 

그래서 과학자들은 한 가지 아이디어를 만들어 냈는데요.

 

물체에 레이저를 쏘고 반사되어 돌아오는 빛을

카메라로 촬영하는 아주 짧은 순간 동안

물체를 미세하게 앞쪽으로 움직이는 방법을 쓰기로 한 겁니다.

 

 

 

 

 

 

그리고 이러한 방법을 수 없이 반복하여,

수 많은 이미지를 만들어낸 뒤, 모두 합성해보는 거죠.

 

1피코 초 단위로 빛이 반사되기 때문에,

물체도 이에 맞춰서 아주 정밀하고 빠르게 이동시킨 다음,

촬영된 사진을 합성하면 순간적으로

물체가 아주 빠르게 움직이는 것처럼 보이게 할 수 있을 겁니다.

 

과학자들은 이러한 방법으로 얻어진 이미지를 합성하여

물체가 연속적으로 움직이는 것처럼 만들 수 있었는데요.

 

즉, 마치 물체가 빠르게 움직이는 것처럼

보이게 만드는 속임수를 쓴 겁니다.

 

그 결과, 과학자들의 예측대로

엄청나게 빠른 속도로 움직이는 물체의 영상이 만들어질 수 있었죠.

 

그리고 과학자들은 이 영상에서 이론적으로 예측되었던 테럴 효과,

즉 물체가 회전하는 것처럼 보이는 현상을 실제로 확인할 수 있었습니다.

 

 

 

포착된 테럴 효과

 

 

 

이번 관측 결과는,

펜로즈와 테럴이 50년 전에 예측했던 것과 정확히 일치했습니다.

 

매우 빠르게 이동하는 물체는 늘어나거나 줄어드는게 아니라,

회전하는 형태가 된다는 것이 확인되었던 겁니다.

 

지금도 많은 곳에서는 고속으로 운동하는 물체는

로렌츠 수축을 하게 된다라고 배우고 있는데요.

 

그동안 많은 사람들은 이렇게 빠르게 이동하는 물체의 모양이

거의 변하지 않는다는 것을 상상하기 어려웠을 겁니다.

 

하지만 이번의 실험으로 상대성 이론에서 예측된 현상을

보다 더 정확하게 이해할 수 있게 되었습니다.

 

 

 

 

 

또한  상대성 이론에서 예측되는 기묘한 현상이

실제로 존재한다는 것을 보여주는 중요한 증거이기도 했는데요.

 

그래서 이번의 결과는 우주를 관측하는

방식에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 생각됩니다.

 

먼 우주에서 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 천체를 관측할 때,

테럴 효과를 고려하여 실제 모습을 더욱 정확히 파알 수 있게 되겠죠.

 

이처럼 테럴 효과의 증명은,

앞으로 더 깊은 우주의 신비를 밝혀내는데, 기여할 것으로 기대됩니다.