상대론적 운동의 스냅샷: 특수 상대성 이론이 가시화되다

물체가 빛의 속도에 가까운 매우 빠른 속도로 움직이면, 우리가 당연하게 여기는 몇 가지 기본 가정은 더 이상 적용되지 않습니다. 이것이 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 핵심 결과입니다. 그러면 물체는 정지해 있을 때와 길이가 달라지고, 물체에 걸리는 시간은 실험실에서와 다릅니다. 이 모든 것은 실험을 통해 반복적으로 입증되었습니다.

그러나 상대성 이론의 흥미로운 결과 중 하나는 아직 관찰되지 않았습니다. 바로 테렐-펜로즈 효과입니다. 1959년, 물리학자 제임스 테렐과 로저 펜로즈(2020년 노벨 물리학상 수상자)는 빠르게 움직이는 물체는 회전하는 것처럼 보인다는 결론을 각각 내렸습니다. 그러나 이 효과는 아직 증명되지 않았습니다.

이제 빈 공과대학교(TU Wien, 비엔나)와 빈 대학교의 협력 연구진은 레이저 펄스와 정밀 카메라를 사용하여 이 효과를 초당 2미터의 유효 광속으로 재현하는 데 최초로 성공했습니다.

더 빠를수록 더 짧아진다: 아인슈타인의 길이 수축

"로켓이 광속의 90% 속도로 우리 옆을 스쳐 지나간다고 가정해 봅시다. 우리에게 로켓은 이륙 전과 같은 길이가 아니라 2.3배 짧아집니다."라고 TU WIen의 피터 샤트슈나이더 교수는 설명합니다. 이는 상대론적 길이 수축, 즉 로렌츠 수축이라고도 합니다.

하지만 이러한 수축은 사진으로 찍을 수 없습니다.

"로켓이 지나가는 모습을 사진으로 찍으려면, 각 지점에서 나온 빛이 카메라에 도달하는 데 걸리는 시간이 다르다는 점을 고려해야 합니다."라고 피터 샤트슈나이더는 설명합니다. 물체의 여러 부분에서 나와 렌즈나 눈에 동시에 도달하는 빛은 동시에 방출되지 않았습니다. 이로 인해 복잡한 광학 효과가 발생합니다.

레이싱 큐브: 회전한 것처럼 보임

초고속 물체가 정육면체라고 가정해 봅시다. 그러면 우리로부터 등지는 면이 우리로부터 오는 면보다 더 멀리 떨어져 있습니다. 만약 두 개의 광자가 동시에 우리 눈에 도달한다면, 하나는 정육면체의 앞쪽 모서리에서, 다른 하나는 뒤쪽 모서리에서 온 것입니다. 따라서 뒤쪽 모서리에서 온 광자가 더 멀리 이동한 것입니다. 따라서 그 광자는 더 이른 시간에 방출되었을 것입니다. 그리고 그 시점에 정육면체는 앞쪽 모서리에서 빛이 방출되었을 때와 같은 위치에 있지 않았습니다.

"이렇게 하면 마치 정육면체가 회전한 것처럼 보입니다."라고 피터 샤트슈나이더는 말합니다. 이는 상대론적 길이 수축과 서로 다른 지점에서 빛이 이동하는 시간 차이가 결합된 결과입니다. 이러한 현상은 테렐과 펜로즈가 예측한 것처럼 겉보기 회전으로 이어집니다.

물론, 일상생활에서는, 심지어 매우 빠른 자동차를 촬영할 때조차도 이는 중요하지 않습니다. 가장 빠른 포뮬러 원 자동차조차도 우리 쪽에서 등지고 있는 측면과 우리 쪽에서 발산하는 빛 사이의 시간 차이로 인해 극히 일부의 거리만 이동할 뿐입니다. 하지만 빛의 속도에 가까운 속도로 날아가는 로켓이라면 이러한 효과는 분명하게 드러날 것입니다.

빛의 효과적인 속도 트릭

기술적으로 현재로서는 이 효과를 사진으로 볼 수 있을 만큼 로켓을 가속하는 것은 불가능합니다. 그러나 TU Wien의 USTEM 소속 Peter Schattschneider가 이끄는 연구팀은 예술에서 영감을 받아 또 다른 해결책을 찾아냈습니다. 그들은 매우 짧은 레이저 펄스와 고속 카메라를 사용하여 실험실에서 이 효과를 재현했습니다.

실험을 수행한 두 학생인 빅토리아 헬름과 도미닉 호르노프는 "우리는 실험실 안에서 정육면체와 구를 움직이고 고속 카메라를 사용하여 각 물체의 여러 지점에서 반사되는 레이저 섬광을 서로 다른 시간에 기록했습니다."라고 설명했습니다.

"타이밍을 제대로 맞추면 빛의 속도가 초당 2미터를 넘지 않는 것과 같은 결과를 얻을 수 있습니다."

풍경의 여러 부분을 촬영한 이미지를 하나의 큰 이미지로 쉽게 결합할 수 있습니다. 여기서 처음으로 시도된 것은 시간적 요소를 포함하는 것입니다. 즉, 피사체를 여러 다른 시간에 촬영합니다. 그러면 빛의 속도가 2m/s에 불과했다면 그 지점에서 빛이 방출되었을 순간에 레이저 플래시에 의해 비춰진 영역들이 하나의 정지 이미지로 결합됩니다. 이렇게 하면 테렐-펜로즈 효과가 가시화됩니다.

"우리는 정지 이미지를 초고속 물체의 짧은 비디오 클립으로 합성했습니다. 결과는 정확히 예상대로였습니다."라고 피터 샤트슈나이더는 말합니다. "정육면체는 뒤틀린 것처럼 보이고, 구는 여전히 구이지만, 북극은 다른 위치에 있습니다."

예술과 과학이 서로 얽히면

테렐-펜로즈 효과의 증명은 과학적 성공일 뿐만 아니라, 예술과 과학의 놀라운 공생의 결과이기도 합니다. 그 시작은 예술가 에나르 데 디오스 로드리게스의 예술-과학 프로젝트였습니다. 그는 몇 년 전 빈 대학교 및 빈 공과대학교와 협력하여 초고속 사진의 가능성과 그로 인한 '빛의 느림'을 탐구했습니다.

이 연구 결과는 이제 저널 '커뮤니케이션 물리학'에 게재되었습니다. 이는 직관적으로 이해하기 힘든 상대성 이론의 세계를 조금 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 단계입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250505121748.htm