상대성이론의 '시간 지연'은 단 30cm의 높이에서도 발생한다

일반상대성이론의 하나인 '시간 지연'은 두 지점에 가해지는 중력이 다른 경우, 두 지점의 시간이 각각 다르게 진행한다는 현상입니다. '중력이 다르다'고 하면, 지구상과 우주 정도의 차이가 필요한 것처럼 들리지만, 실제로는 지구상의 불과 33cm의 고저차에서도 시간 지연이 관측할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다.

NIST Pair of Aluminum Atomic Clocks Reveal Einstein's Relativity at a Personal Scale | NIST
https://www.nist.gov/news-events/news/2010/09/nist-pair-aluminum-atomic-clocks-reveal-einsteins-relativity-personal-scale

NIST Pair of Aluminum Atomic Clocks Reveal Einstein's Relativity at a Personal Scale

미국의 국립표준기술연구소(NIST)의 연구팀이 2010년에 실시한 실험에 의해 불과 33cm의 높이에서 시간 지연이 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 실험에서는 원자 등의 스펙트럼선을 이용하여 시간을 재는 원자시계가 사용되었습니다. 원자시계는 많은 시계 중에서도 매우 높은 정확도를 가진 시계로 동작 중에 발생하는 오차는 3000년 ~ 3000만 년에 1초 정도라고 합니다.

NIST의 연구팀은 2010년 시점에서 세계 최고 수준의 성능을 가진 원자시계 2개의 동작을 비교하는 실험을 실시했습니다. 두 시계는 대전된 알루미늄 원자의 에너지 레벨이 변경될 때 발생하는 1000조 회 이상의 진동을 이용하여 시간을 측정하는 시계입니다. 2개의 시계는 각각 NIST의 다른 실험실에 두고 길이 약 75m의 광섬유로 연결되어 있었습니다.

실험에서는 먼저 원자시계 중 하나를 실험실 바닥에 놓고 다른 하나를 바닥에서 약 33cm 높은 위치에 배치하여 각각의 시간의 진행에 차이가 생기는지를 측정. 그 결과, 매우 근소한 차이로 높은 위치에 있는 시계는 시간의 진행이 빠르고 낮은 위치에 있는 시계는 시간의 진행이 느리다는 결과가 나와, 단 33cm의 차이로 시간 지연이 발생하는 것으로 밝혀졌습니다.

또한 실험에서 관측된 시간 지연은 인간이 지각할 수 없을 정도로 매우 작은 것이었습니다. 연구팀에 따르면, "인간이 지구상에서 일생 동안에 경험하는 시간의 지연은 인생을 80년으로 한 경우 약 900억분의 1초 정도"라고 말합니다. NIST의 연구원으로 논문의 대표저자인 제임스 친웬 차우 씨는 알루미늄을 이용한 원자시계가 매우 높은 정확도를 가지고 있었기 때문에, 시간 지연을 입증하는 작은 변화를 감지할 수 있었다고 말합니다.

2020년에는 시간 지연을 검출하기 위해 원자시계의 일종인 광격자 시계 등을 사용한 실험이 이루어지고 있으며, 일본에서도 도쿄 스카이트리 전망대와 지상 사이에서 발생하는 시간 지연을 관측하는 데 성공했던 사실이 도쿄 대학의 연구팀에 의해 보고되었습니다.