차원과 시공간

일상생활에서 공간과 시간은 서로 다른 것처럼 보인다. 공간에서 우리가 움직일 수 있는 방법은 위아래, 좌우, 앞뒤의 세 가지 방향이 있다.

지구에서의 위치를 정확하게 알려주고 싶으면 위도(적도에서 얼마나 떨어져 있는지), 경도(그리니치를 지나는 본초자오선에서 얼마나 떨어져 있는지, 그리고 고도(해수면으로부터 얼마나 높이 있는지를 말해주면 된다. 그러나 시간이 얼마인지를 말하기 위해서는 하나의 좌표축만 있으면 된다.

차원과 시공간

시간은 방향을 가지고 있는 것처럼 보인다. 시간은 항상 과거에서 미래로만 흐른다. 공간에서는 뒤로 돌아갈 수 있지만 시간에선 그럴 수 없다. 그러나 우리는 전혀 다른 것처럼 보이는 공간과 시간이 4차원 시공간의 다른 면이라는 것을 알게 되었다.

1. 타임 워프

이전에도 시간과 공간을 결합시키려는 시도가 있었지만 성공적으로 결합한 사람은 상대성이론을 제안한 알베르트 아인슈타인이었다. 시공간이라는 말은 1908년에 헤르만 민코프스키 Hermann Minkowski, 1864-1909 가 1905년에 아인슈타인이 제안한 특수상대성이론에 대해 토론하면서 처음 사용했다.

아인슈타인이 1915년에 발표한 일반상대성이론은 중력이 두 물체 사이에 작용하는 신비한 원격 작용 때문이 아니라 질량으로 휘어진 시공간에 의해 작용한다는 것을 밝혀냈다. 휘어진 시공간을 설명하는 전통적인 방법은 팽팽하게 잡아당긴 고무판 위에 태양과 같은 큰 질량을 대신하는 볼링공을 얹어놓았을 때 고무판이 늘어나는 것을 상상하는 것이다.

볼링공을 얹어놓은 고무판은 가운데가 움푹 들어가게 된다. 조약돌처럼 질량이 작은 물체를 이 '중력 우물' 가장자리에서 빠르게 회전시키면 조약돌이 볼링공 주변의 궤도에서 볼링공을 돌 것이다. 아인슈타인은 중력을 질량에 의해 휘어진 공간의 작용이라고 설명한 것이다. 아인슈타인의 새로운 중력이론은 오랫동안 설명할 수 없었던 수성의 근일점 이동을 설명할 수 있게 했고, 1919년에 있었던 일식 관측을 통해 확인되었다

질량에 의한 시공간의 휘어짐은 공간뿐만 아니라 시간에도 영향을 준다. 아인슈타인의 연구는 중력 우물의 어디에 있느냐에 따라 시간도 다르게 흘러간다는 것을 보여주었다. 이것은 한 실험실에서 높이가 다른 선반 위에 얹어놓은 고도로 정밀한 원자시계들의 시간이 일치하지 않음을 뜻한다.

낮은 선반에 놓여 있는 시계는 지구 중력의 영향을 더 많이 받으므로 높은 선반에 놓여 있는 시계보다 천천히 간다. 이것은 또한 지구궤도를 돌고 있는 인공위성의 시계가 지상의 시계보다 빨리 간다는 것을 뜻한다. 이러한 차이를 감안하지 않으면 GPS는 제대로 작동하지 않는다

좀 더 극단적인 경우에는 시간이 거의 멈춘 것처럼 천천히 흐르는 경우도 생각해 볼 수 있다. 물체가 블랙홀에 접근하는 것을 관찰한다면 실제로 이런 일이 일어날 것이다. 블랙홀은 질량이 큰 천체로 중력이 강해서 빛마저도 탈출할 수 없는 천체다.

효율적인 수소 핵융합

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