시간여행에 대한 물리학자들의 연구는 아인슈타인의 상대성이론에 기반을 두고 있다. 중력이 약한 우주 공간에 있는 시계는 지상의 시계보다 느리게 간다. 사진은 시간여행을 형상화한 이미지. 국제신문DB

'성공한 화가이지만 집안일에는 무관심한 데이비드. 그가 이웃집 여자와 바람을 피우는 사이 딸은 수영장에 빠져 목숨을 잃는다. 자책감에 빠져 폐인처럼 지내던 그는 딸이 죽은 수영장에서 자살을 기도하지만 실패한다. 그는 우연히 나비를 따라가다 신비로운 터널을 통과한다. 그리고 그는 5년 전 딸이 죽던 그때로 돌아가 아이를 구한다. 시간을 거슬러 간 데이비드는 과거의 또 다른 자신을 죽이고 그의 신분으로 살아간다'.

오는 26일 개봉하는 미스터리 영화 '더 도어'는 '백 투 더 퓨처'처럼 시간여행이 주제는 아니지만 시간여행 영화의 일반적인 줄거리를 따르는 SF이기도 하다. 시간여행에 대한 연구는 아직 오락적인 측면이 강하지만 아인슈타인이 일반상대성이론에서 말한 것처럼 진지한 과학적 연구가 이뤄지기도 한다.

최근 미국 MIT의 세스 로이드는 과학 사이트 '아카이브'에 발표한 논문에서 '할아버지 역설'의 모순을 금지하는 시간여행 모형을 발표했다. '할아버지 역설'은 시간여행자가 과거로 돌아가서 자신의 할아버지를 살해한다면 자신이 존재할 수 없고 그 결과로 맨 처음의 살인은 일어나지 않는다는 것이다. 사후선택모형으로 불리는 로이드의 모형은 과거로 갔을 때 나중에 미래에 모순이 될 임의의 사건을 금지한다는 것이다. 로이드 연구팀은 광자(입자의 성질로 본 빛으로 광양자라고도 한다)를 이용해 이 모형을 증명할 모의 실험도 제안했다.

미국 코네티컷대 물리학과의 로널드 말렛 교수는 아인슈타인의 상대성이론에 기초한 시간여행 이론을 2006년 발표했다. 공간을 변형시키면 시간도 변형된다는 것을 이용했다. 그는 무거운 질량을 가진 물체 대신 회전하는 레이저로 주위 공간을 회전하는 빛을 만들 수 있다고 제시했다. 아인슈타인은 특수상대성이론에서 '관측자의 움직임에 따라 시간이 차이 난다'고 밝혔다. 속도가 빠를수록 시간은 느리게 간다는 것이다. 이는 '쌍둥이 역설'로 불린다. 쌍둥이 중 한 명이 광속에 가까운 빠른 속도로 우주여행을 하고 돌아오면 지구에 남아있던 나머지 한 명은 더 많이 늙어 있다는 것이다. 이 경우 우주여행에서 돌아온 쌍둥이 중 한 명은 형제에 비교할 때 지구의 미래로 온 것과 같다.

이런 시간지연 효과는 두 관측자의 움직임에 따라 언제든지 발생하지만 큰 시간 차이는 움직임이 빛의 속도에 가까워야 생기므로 일상생활에서는 시간 차이를 느낄 수 없다. 일상생활 중 가장 빠른 수단인 비행기를 타고 장거리를 여행하더라도 시간지연은 10억분의 1초 단위다. 미래로의 여행은 실제로 우리가 일상적으로 하고 있지만 정도가 미미해 감지하지 못하는 것뿐이다. 하지만 정밀한 원자시계는 이런 차이를 측정할 수 있다.

일반상대성이론에 따르면 중력도 시간여행의 한 방법이 된다. 지상에 있는 시계보다 중력이 약한 우주에 있는 시계가 더 빨리 간다는 것이다. 이 차이 역시 극히 작지만 정밀한 시계로 잴 수 있다. 이러한 시간 차이는 이미 GPS에 적용되고 있다.