4분 읽기+ 4초 영상
실험을 통해 빛의 속도에 근접하는 물체의 테렐-펜로즈 효과 최초 확인

물리학자들, 특수상대성 효과 실험적으로 입증
실험을 통해 빛의 속도에 근접하는 물체의 테렐-펜로즈 효과 최초 확인

놀라운 효과:
물리학자들이 1959년 초에 가정된 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 효과를 최초로 실험적으로 입증했다. 이 이론에 따르면, 빛의 속도에 근접하는 물체는 길이가 짧아지지만, 스냅샷에서는 휘어진 것처럼 보인다. 연구진은 레이저와 고속 카메라를 이용한 실험을 통해 이른바 테렐-펜로즈 효과를 최초로 직접 시각화하여 이론적 예측을 확인했다. 

▲ a 펄스 레이저 빔이 렌즈를 통해 집중되어 물체 전체를 비춘다. 게이트 카메라는 레이저 트리거에 대해 일정 지연을 두고 물체에서 산란된 빛을 포착하도록 트리거된다. b v = 0.999 c에 대해 카메라에서 보이는 약간 기울어진 로렌츠 수축 구의 모델(파란색)은 거의 2차원 물체로 압축됩니다. 북극은 카메라를 향한다. 카메라 옆에서 ps 레이저 펄스는 거울을 통해 렌즈로 유도되어 전체 시야로 확대됩니다. 삽입물은 다른 관점에서 본 구의 모델을 보여준다. c 한 변의 길이가 1×1×0.6m인 로렌츠 수축 입방체. (출처: Published: 01 May 2025 / A snapshot of relativistic motion: visualizing the Terrell-Penrose effect / Comminications Physics)

알베르트 아인슈타인은 특수 상대성 이론에서 극한 가속도에서는 시간과 공간과 같은 상수로 여겨지는 것조차 더 일정하지 않게 된다는 사실을 처음으로 설명했다. 예를 들어, 로켓이 빛의 속도에 근접하는 속도로 이동할 때, 탑승자에게는 시간이 길어지는 반면, 관측자에게는 로켓이 짧아 보인다. 빛의 속도의 90%에서 이러한 상대론적 길이 수축은 로켓의 길이를 2.3배 단축시킨다.

▲ a. 왼쪽에서 오른쪽으로 속도 v = 0.7 c로 움직이는 로렌츠 수축 구의 평면도. A와 B에서 나온 광자가 카메라에 동시에 도착하려면, 광자 B가 A를 통과할 때(회색 구불구불한 선) 광자 A가 Δt만큼 늦게 방출되어야 한다. 이 시간 동안 점 A는 위치 A'로 이동했습니다. 대칭성에 의해, 점 C에서 나온 광자는 광자 B보다 Δt만큼 먼저 방출되어야 한다. b. 스냅샷에서 수축된 구는 길어 보인다. (출처: Published: 01 May 2025 / A snapshot of relativistic motion: visualizing the Terrell-Penrose effect / Comminications Physics)

▲ a, b 로렌츠 수축구. 북극은 카메라 방향을 가리킨다. c, d 테렐-펜로즈 효과 - 구가 회전한 것처럼 보인다. 녹색 선은 적도를 나타낸다. (출처: Published: 01 May 2025 / A snapshot of relativistic motion: visualizing the Terrell-Penrose effect / Comminications Physics)

짧아지는 대신 회전: 테렐-펜로즈(Terrell-Penrose) 효과

이 아인슈타인 단축은 또 다른 효과를 낳는다. 물리학자 제임스 테렐(James Terrell)과 로저 펜로즈(Roser Penrose)가 1959년에 발견했듯이, 이처럼 상대론적 속도로 물체를 촬영하려고 하면 물체가 짧아지는 것이 아니라 회전하는 것처럼 보인다. 그 이유는 빛이 물체의 앞면과 뒷면에서 카메라에 도달하는 데 걸리는 시간이 서로 다르고, 동시에 물체는 빠르게 움직이기 때문이다. 따라서 촬영 시점에 카메라에 닿는 광선은 왜곡된 이미지를 만든다.

핵심은 광선의 이동 시간과 상대론적 운동으로 인한 길이 수축이 서로 상쇄된다는 것이다. "놀랍게도 정확한 보상이 발생한다. 이로 인해 물체는 마치 정지해 있는 것처럼 보이지만, 운동 평면과 카메라에 수직인 축을 중심으로 회전하는 것처럼 보인다"고 비엔나 공과대학교의 도미니크 호르노프(Domonik Hornof)와 그의 동료들은 이 소위 테렐-펜로즈 효과를 설명했다. "그러나 이 놀라운 효과는 실험적으로 검증된 적이 없다.“

▲ 정지해 있는 직육면체의 보정 이미지. 이 이미지는 카메라 위치에서 직육면체의 원근 시뮬레이션(흰색 선)과 중첩되어 있다. b 0.999 c로 움직이는 의도적으로 로렌츠 수축된 구의 테렐 회전. c 정육면체의 테렐 회전. 시뮬레이션(흰색 윤곽선)은 실험 결과에 중첩되어 시각적 이해를 돕고 이론적 설명을 검증한다. (출처: Published: 01 May 2025 / A snapshot of relativistic motion: visualizing the Terrell-Penrose effect / Comminications Physics)

레이저 스트로브의 정육면체와 구

이제 상황이 바뀌었다. 호르노프와 그의 동료들은 실험을 통해 테렐-펜로즈 효과를 최초로 이미징하는 데 성공했다. 그들은 최첨단 레이저 기술과 특수 고속 카메라를 사용했다. "우리는 정육면체와 구를 실험실에서 이동시키면서 고속 카메라로 각 물체의 여러 지점에서 반사되는 레이저 섬광을 각기 다른 시간에 기록했다"고 호르노프와 그의 동료 빅토리아 헬름은 설명했다.

▲ 100m 거리에 있는 관찰자(거의 평행한 조명). b 5m 거리에 있는 관찰자. 왜곡된 수직 모서리는 쌍곡선이다.

그 결과, 스트로브처럼 조명된 물체의 상태를 포착한 일련의 스냅샷이 생성되었다. 각 레이저 펄스는 약 1피코초(picosecond) 동안만 지속되었고, 이미지는 400피코초 간격으로 촬영되었다. 물리학자들은 마치 타임랩스처럼 빛의 이동 시간과 움직이는 물체의 위치를 ​​고려하여 이 정지 이미지들을 결합했다.
"타이밍을 제대로 계획하면 빛의 속도가 초당 2미터 이하인 것과 같은 결과를 얻는 상황을 만들 수 있다"고 호르노프와 헬름은 설명했다.

실험으로 이론 확인

그 결과, 정육면체와 구가 마치 빛의 속도의 80%와 99%로 촬영된 것처럼 보이는 이미지가 생성되었다. "정지 이미지들을 결합하여 초고속 물체의 짧은 비디오 클립을 만들었다. 결과는 예상했던 대로였다"고 빈 공과대학교의 선임 저자인 페터 샤트슈나이더는 보고했다. "정육면체는 뒤틀린 것처럼 보이고, 구는 구로 남아 있지만, 북극은 다른 위치에 있다.“

이는 1959년 테렐과 펜로즈가 가정한 상대론적 효과를 실험적으로 시각화한 최초의 사례다. 물리학자들은 "로렌츠 길이 수축이 실제로 눈에 보이지 않는다는 것을 증명할 수 있었다"고 기술했다. "따라서 우리의 결과는 이론적 모델을 확증하고, 상대론적으로 빠른 물체가 스냅샷에서 수축하는 것이 아니라 회전하는 것처럼 보인다는 것을 보여준다.“

테렐-펜로즈 효과는 일상생활에서는 중요하지 않다. 하지만 빛의 속도에 근접해 빠른 속도로 이동하는 로켓에서는 이 효과가 명확하게 보일 것이다.
(Communications Physics, 2025; doi: 10.1038/s42005-025-02003-6)
출처: 비엔나 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]