Einstein's twin paradox explained - Amber Stuver

번역: nagyeong kim 검토: Eunice Yunjung Nam

On their 20th birthday, identical twin astronauts volunteer for an experiment.

일란성 쌍둥이 우주사가 20살 생일날 한 실험에 지원했죠.

Terra will remain on Earth, while Stella will board a spaceship.

테라는 지구에 남고 스텔라는 우주선을 탑승하기로 한 거죠.

Stella’s ship will travel at 86.6% the speed of light

스텔라의 우주선은 광속의 86.6%에 달하는 속도로 이동하여,

to visit a star that is 10 light-years away,

10광년만큼 먼 별을 방문할 예정이며,

then return to Earth at the same speed.

같은 속도로 지구에 복귀하기로 했죠.

As they prepare to part ways,

그들은 헤어질 준비를 하면서,

the twins wonder what will happen when they’re reunited.

쌍둥이들은 다시 만났을 때 어떤 일이 일어날지 궁금하죠.

Since a light year is exactly the distance light can travel in a year,

1광년은 별이 정확히 1년 동안 이동할 수 있는 거리이기 때문에,

Stella’s journey should take 23 years.

스텔라의 여행은 23년이 걸려야 합니다.

But from having studied special relativity,

하지만 특수 상대성 이론을 공부한 쌍둥이 자매는

the twins know it’s not that simple.

이 문제가 그리 간단하지 않다는 것을 알죠.

First of all, the faster an object moves through space,

첫 번째로, 물체가 우주에서 더 빠르게 이동할수록,

the slower it moves through time compared to an unmoving observer.

움직이지 않는 관찰자보다 시간이 더 느리게 흐릅니다.

This relationship can be quantified with something called the Lorentz factor,

이 관계는 로렌츠인자로 수량화가 가능합니다.

which is defined by this equation.

이 방정식으로 정의되는 법칙이죠.

And secondly, the length of a moving object as measured by an observer at rest

두번째로, 움직이지 않는 관찰자에 의해 측정된 움직이는 물체의 길이는

will contract by the same factor.

똑같은 요소에 의해 줄어듭니다.

At 86.6% of the speed of light the Lorentz factor is 2,

86.8%의 광속은 로런츠인자로 2에 해당합니다.

meaning time will pass twice as slowly aboard the spaceship.

즉, 우주선에서는 시간이 2배 더 느리게 흐른다는 의미입니다.

Of course, Stella won’t notice time slowing down.

당연히, 스텔라는 시간이 느려진 것을 알아차리지 못합니다.

That’s because all time-based processes in the ship will slow down as well–

시간과 관련된 절차들 또한 함께 느려지기 때문이죠.

clocks and electrical devices;

시계와 전자 기기들은 물론이고,

Stella’s biological activities including her rate of aging

스텔라의 노화를 포함한 모든 생물학적인 활동과

and her perception of time itself.

시간에 대한 관념도 마찬가지입니다.

The only people who could notice time on the moving spaceship

우주선에서 스텔라의 시간이 느려지고 있다는 사실을

passing slower for Stella

알아차릴 수 있는 유일한 사람들은

would be observers in an inertial, or non-accelerating, reference frame–

관성, 또는 가속화하지 않는 기준의 틀에 있는 관찰자들입니다.

like Terra back on Earth.

지구에 남아 있는 테라처럼요.

Thus, Terra concludes that when they meet back on Earth,

그래서 테라가 내릴 수 있는 결론은 그들이 지구에서 다시 만날 때

she’ll be older than Stella.

스텔라보다 더 나이가 많을거라는 거죠.

But that’s just one way of looking at things.

하지만 이건 사물을 보는 한 가지 방법일 뿐입니다.

Because all movement is relative,

모든 움직임은 상대적이기 때문에,

Stella argues it would be just as valid to say her spaceship will stand still

스텔라는 테라를 포함한 모든 것들이 스텔라 주위를 돌고 있는 동안,

while the rest of the universe, including Terra, moves around her.

그녀의 우주선은 가만히 있다고 말하는 것 또한 타당하다고 주장합니다.

And in that case, time will pass twice as slowly for Terra,

그리고 이런 경우에는, 테라의 시간이 두 배 느리게 흘러

making Stella the older twin in the end.

결국 스텔라가 더 나이가 많은 쌍둥이가 될 것입니다.

They can’t each be older than the other, so which one of them is right?

한 쌍둥이가 다른 쌍둥이보다 나이가 많을 수 없다면

누구의 말이 맞는 걸까요?

This apparent contradiction is known as the “Twin Paradox.”

이 자명한 모순은 "쌍둥이 역설"로 알려져 있습니다.

But it’s not really a paradox–

하지만 이건 진짜 역설이라기보다는

just an example of how special relativity can be easily misunderstood.

그저 특수 상대성이 어떻게 잘못 이해될 수 있는지 보여주는 예입니다.

To test their theories in real-time,

현실에서 그들의 이론을 실험하기 위해,

each of the twins agrees to send a burst of light to the other

쌍둥이 각각은 그들에게 있어 일 년이 지날 때마다

every time a year has passed for them.

상대방에게 빛 분출을 보내는 것에 동의합니다.

Unlike other objects, the speed of light is always constant

다른 물체와는 달리, 빛의 속도는

regardless of an observer’s reference frame.

관찰자의 기준 틀에 관계없이 일정합니다.

A light burst sent from Earth will be measured at the same speed

지구에서 보낸 빛 분출은 우주선에서 보낸 빛과

as a light burst sent from the spaceship,

같은 속도로 측정됩니다.

regardless of whether it’s on its outbound or return trip.

그것이 밖으로 나가는 중이든, 다시 돌아오는 중이든.

So when one twin observes a burst of light,

그러므로 쌍둥이 중 한 명이 빛을 목격할 때,

they’re measuring how long it took the other twin to experience a year passing,

상대방에겐 1년이 지났다는사실을 경험하기까지 걸린 시간과

plus how long it took for light to travel between them.

빛이 그들 사이를 여행하는데 걸린 시간을 측정합니다.

We can track what’s happening on a graph.

우리는 그래프를 통해 발생한 일을 추적할 수 있어요.

The X axis marks distance from Earth, and the Y axis tracks the passage of time.

X축은 지구로부터 거리를 나타내며, Y축은 시간의 경과를 보여줍니다.

From Terra’s perspective, her path will simply be a vertical line,

테라의 관점에서, 그녀의 길은 거리가 0인 수직선이 될 것이고,

with distance equal to zero

각각의 점들은 그녀가 지각하는 1년이라는 시간과 동일합니다.

and each tick on the line equivalent to a year as she perceives it.

Stella’s path will stretch from the same origin to a point 11.5 years in time

스텔라의 길은 같은 시작점에서 시간상으로는 11.5년이고,

and 10 light-years in distance from Terra…

거리 상으로는 테라로부터 10광년인 지점으로 나아갑니다.

before converging again at zero distance and 23 years’ time.

다시 거리 0, 시간 23년인 지점으로 수렴되기 전에 말이죠.

At her first one-year mark,

테라의 첫 1년을 의미하는 지점에서,

Terra will send a pulse of light from Earth towards Stella’s spaceship.

그녀는 지구에서 스텔라의 우주선으로 빛의 파장을 보낼 예정입니다.

Since light takes a year to travel one light-year,

빛이 1 광년을 여행하려면 1년이 걸리므로,

its path will be a 45-degree diagonal line.

그 경로는 45도의 대각선이 될 것 입니다.

And because Stella is traveling away from it,

그리고 스텔라는 빛이 그녀를 따라잡을 때까지

by the time the light catches up to her,

그것으로부터 떠나고 있으므로,

over 7 total years will have passed for Terra, and over 4 for Stella.

테라에게는 7년이, 스텔라에게는 4년이 지나 갈 것입니다.

By the time Stella observes Terra’s second burst,

스텔라가 테라가 보낸 두 번째 빛의 폭발을 목격할 때쯤엔,

she will already be on her return journey.

그녀는 이미 귀환하고 있을 겁니다.

But now, since she’s moving towards the source of the light,

하지만 지금, 그녀는 빛의 근원으로 나아가고 있기 때문에

it will take less time to reach her,

빛이 그녀에게 도달하는데 더 짧은 시간이 걸리고,

and she’ll observe the bursts more frequently.

그녀는 빛을 좀 더 자주 목격하게 될 겁니다.

This means that Stella observes Terra aging slowly

이것이 의미하는 바는

여정의 처음 절반 동안 스텔라는 테라가 천천히 노화하는 걸 목격하고

for the first half of her journey,

but aging rapidly during the return half.

귀환 여정에서는 테라의 빠른 노화를 목격한다는 것 입니다.

Meanwhile for Stella, it seems as though Terra, the destination star,

반면 스텔라에게는 목적지인 별과 모든 우주가 마치 그녀 주위를

and the whole universe are moving around her.

돌고 있는 것처럼 보입니다.

And because of length contraction,

그리고 길이의 수축으로,

Stella observes the distance between them shrinking by a factor of 2.

그들 사이의 거리가 로렌츠인자 2만큼 줄어드는 것을 스텔라는 목격합니다.

This means each leg of the trip will only take about six years

이것은 스텔라의 관점에서

각각의 여정이 오직 6년 밖에 걸리지 않았다는 것을 의미합니다.

from Stella’s perspective.

When she sends the first signal to Earth, two years will have passed for Terra.

그녀가 지구에 처음 신호를 보냈을 때 테라에게는 2년이 지났을 것 입니다.

Stella will send four more light bursts during her outbound journey,

우주선이 나아가는 동안에는 스텔라는 점점 더 먼 곳에서

빛의 폭발을 보내게 될 겁니다.

each one from farther away.

By the time Terra observes the first pulse from Stella's inbound journey,

스텔라가 돌아오는 여정에서 테라가 첫 번째 파장을 목격하기까지

over 21 years will have passed for her.

21년이 넘게 걸릴 것입니다.

For the rest of Stella's return home,

스텔라가 집으로 돌아오는 나머지 여정 동안에

Terra receives multiple light bursts each year.

테라는 매년 여러 번 빛의 폭발을 받습니다.

Thus, Terra observes Stella aging slowly for about 90% of their 23 years apart,

따라서, 테라는 그들이 떨어져 있던 23년 중 90%는

스텔라가 천천히 노화하는 것을 목격할 것이고,

and aging rapidly during the last 10%.

마지막 10% 기간에는 빠르게 노화하는 것을 목격하게 됩니다.

This asymmetry accounts for why the paradox isn’t really a paradox.

이러한 비대칭이 역설이 사실 알고보면 역설이 아닌 이유를 설명합니다.

Although each twin witnesses time

비록 각각의 쌍둥이들은

both speeding up and slowing down for the other,

상대방의 시간이 빨라지고 느려지는 것을 목격하지만,

Stella sees an even split,

스텔라는 그것을 절반씩 목격하는 반면,

while Terra sees Stella aging slowly for most of the time they’re apart.

테라는 떨어져 있는 대부분의 기간 동안 스텔라가 천천히 노화하는 걸 목격하죠.

This is consistent with each twin’s measurement of the space voyage,

이것은 지구에서는 23년이 걸리지만,

which takes 23 Earth years, but only 11.5 as experienced aboard the ship.

우주선에서는 11.5년이 걸렸다는 쌍둥이들의 측정과 일치하는 결과입니다.

When the twins are reunited, Terra will be 43 years old, while Stella will be 31.

쌍둥이들이 재회했을 때

테라는 43살이지만 스텔라는 31살일 겁니다.

스텔라가 틀렸던 원인은 그녀와 테라가 모두

Where Stella went wrong

was her assumption that she and Terra had equal claim to being inertial observers.

관성적인 관찰자라고 주장한 데 있습니다.

To be an inertial observer, one has to maintain a constant speed and direction

관성의 관찰자가 되기 위해서,

관찰자는 다른 모든 것에 상대적으로 일정한 속도와 방향을 유지해야 합니다.

relative to the rest of the universe.

Terra was at rest the entire time, so her velocity was a constant zero.

테라는 여정 내내 움직이지 않았으므로 그녀의 속도는 일정하게 0이었습니다.

But when Stella changed her direction for the return journey,

하지만 스텔라가 집으로 귀환하기 위해 방향을 바꿨을 때,

she entered a different reference frame from the one she’d started in.

그녀는 그녀가 시작한 지점과는 다른 기준틀에 진입했습니다.

테라와 스텔라는 우주공간의 시간이 어떻게 작동하는지

Terra and Stella now both have a better understanding of how spacetime works.

더 잘 이해하게 되었습니다.

And as twins who are eleven years apart in age,

그리고 그들이 11년 동안 떨어져 있으면서,

they’re a perfect example of special relativity.

그들은 특수 상대성의 완벽한 예시가 되었답니다.