10. GPS 인공위성의 시계

2. 특수 상대성 이론의 증거1
 
G. GPS 인공위성의 시간이 느리게 간다고?
 
요즘 강단의 물리학자들은 GPS 인공위성의 원자 시계가 느리게 가는 것을 시간이 느리게 간다고 해석하는 사람이 많습니다. GPS 인공위성에 사용되는 시계는 세슘 원자시계입니다. 세슘 원자시계는 세슘원자의 공진주기를 이용하여 시간간격을 측정하는 장치입니다. 인류는 정확한 시간간격을 측정하기 위하여 어떠한 물리적인 힘에 대해서도 항상 일정한 간격(주기)를 갖는 장치를 개발하여 왔습니다. 물시계, 해시계, 테엽시계, 전자시계, 원자시계등 그러나 지구에 있는 어떠한 시계도 일정한 간격을 표시할 수 있는 시계는 없습니다. 왜냐하면, 시계는 물질을 이용하여 만든 것이기 때문에 질량을 가지는 물질은 중력의 영향을 받지 않는 것이 없기 때문입니다.


GPS 인공위성에 있는 원자시계가 빠르게 간다고 하여 이것이 인공위성의 빠른 속도에 의한 것이거나, 중력에 의하여 시간이 늦게 가기 때문이 아니라, 인류가 만든 원자시계가 중력에 영향을 받기 때문인 것을 명심해야 합니다. 한마디로 기계적인 오차일 뿐입니다.


EX1) 지구에 쌍둥이 자매 영희와 순희가 있었습니다. 이 둘은 시간의 흐름을 비교하기 위하여 똑같은 원자시계를 두 개 만들어서 하나는 영희가 인공위성에 싣고  지구 상공 20,000km 지점으로 올라가 10년 동안 생활을 하고, 순희는 다른 하나의 원자시계를 지구에서 관찰한다고 합니다. 두 자매는 매일 시간의 차이(약 38마이크로초)를 비교하면서 일기를 쓰며 연구을 했습니다. 10년후 영희가 원자기계를 가지고 지구로 귀환 합니다. 자! 영희의 기준으로 10년후에 지구로 왔습니다. 당연 지구에 있는 순희의 시계는 10년이 아직 되지 않았습니다. 이 두 자매가 서로 만날수 있을까요? 네 만날수 있습니다. 두 개의 원자시계를 비교하면 어떻게 될까요? 당연 지구에 있는 시계가 느리게 가서 0.1387초 늦겠죠. 그럼이제 두사람의 시간을 비교해 볼까요? 두사람은 몇년후에 만난 것입니까? 순희의 시계로 하면 (10년 - 0.1387초), 영희의 시계로 하면 10년, 잘 생각해보세요. 둘은 어떤 것을 기준으로 했는냐에 따라서 만난시간이 달라질 뿐, 두 사람이 만나고 있는 시간은 일치합니다. 그래야 만날 수 있는 것이죠. 만약 만나는 시각이 틀리다면, 둘은 영원히 만날 수 없겠죠. 즉, 시간이라는 것은 똑같다는 것이죠. 다만 누구의 시계로 만난 시각을 얘기하는가의 문제이지 시간이 느리게 가거나 빠르게 가는 것은 아님니다.


인류가 만든 시계가 중력이나, 전자기파(빛)나, 기타 물리적인 힘에 의하여 느려지거나 빨라지는 것은 인류가 만든 기계의 오차일 뿐입니다. 사실 시간이라는 것은 실체적인 물리량이 아닙니다. 시간은 우리 머리속의 개념일 뿐입니다. 우리 머리속의 개념은 동일할 수 밖에 없습니다. 인류는 개념과 기계를 정확히 일치시키기 위하여 많은 노력을 해왔으며, 지금도 노력하고 있습니다. 먼 미래에 우주 여행이 가능하는 날이 온다면, 그때에는 중력과 같은 물리적인 힘에 영향이 전혀 없는 시계를 만들어야 할 것입니다. 그래야 우리의 개념적인 시간과 일치하는 시계를 가질 것이기 때문입니다.


EX2) 250만 광년 떨어진 안드로메다 은하에서 오는 빛은 빛이 생성된지 얼마나 되었을까요? 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 말하면, 빛은 빛의 속도로 움직이기 때문에 안드로메다 은하에서 발현되는 즉시 우리눈에 도착하겠죠. 왜냐하면 빛의 속도로 움직이는 것은 시간이 흐르지 않기 때문입니다. 즉, 빛의 속도는 무한의 값을 갖는다고 해도 틀린 말은 아니죠. 그럼 이것이 사실일까요? 우리는 태양에서 오는 빛을 말할때 8분20초 전에 태양에서 발현된 빛을 본다고 말합니다. 뭐가 앞뒤가 안맞는거 아닌가요?


아인슈타인이 착각한 것이 바로 여기에 있습니다. 본다는 것을 실제라고 생각한 것이죠. 하지만 본다는 것은 빛을 이용하는 것이기 때문에 빛의 속도를 감안해서 계산하고 생각해야 합니다. 그래야 실제 일어난 사건의 시각을 정확히 표현할 수 있습니다. 본다는 것을 잘못 생각하면, 빛에 관한 이상한 방정식(시간팽창, 길이수축, 질량증가 방정식)이 만들어지고, 시간 여행이 가능하다는 SF가 만들어지는 것이죠. 물론 타임머신이라는 소설은 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 발표하기 10년전에 쓰여진 것입니다.


아인슈타인의 상대성 이론은 바로 빛의 상대속도가 일정하다고 하는 광속 불변론으로부터 나왔습니다. 광속 불변론이 성립하려면 수학적으로 빛의 속도는 무한의 값을 가져야만 가능합니다. 그래야 아인슈타인의 이론 빛의 속도로 날아가면 시간이 정지한다와 일치하는 결과가 나올 것입니다. 하지만 수학에서 무한의 값이라는 것은 우리가 그 값을 모른다는 것이지 실존하는 값은 아니라는 것을 명심해야 할 것입니다. 빛이 속도가 어떠한 값을 갖는다면 아인슈타인의 상대성 이론은 티끌하나 남기지 않고 모두 틀린 이론이 됩니다.


현재의 빛의 속도는 299,792.458[m/s]라고 정의하고 있습니다. 이것은 길이의 정의 1m는 빛이 1/299,792,458 초 동안 이동한 거리라고 정의하기 때문에 빛의 속도가 정의 된 것과 같은 것입니다. 따라서 아인슈타인의 상대성 이론은 모두 거짓입니다.