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- 동계 올림픽은 시간, 거리, 완벽한 점프의 연속, 모든 것의 이면에는 물리학의 기본 원리
- 시간, 속도, 길이, 질량, 회전과 같은 물리량은 동계 스포츠에서 매우 중요한 역할.
- 선수들의 기량,능력뿐만 아니라, 메달을 따기 위해서 물리학적 원리 정확해야 구현해야

동계 올림픽, 물리학의 관점에서 본 동계 스포츠

동계 올림픽은 시간, 거리, 그리고 완벽한 점프의 연속이지만, 그 모든 것의 이면에는 물리학의 기본 원리가 자리 잡고 있다. 물체가 움직이는 모든 순간에는 물리학이 작용한다. 그렇다면 활강, 바이애슬론 포환던지기, 피겨 스케이팅의 쿼드러플 점프에서는 구체적으로 어떤 의미일까? 시간, 속도, 길이, 질량, 회전과 같은 물리량은 동계 스포츠에서 매우 중요한 역할을 한다. 선수들의 기량과 능력뿐만 아니라, 메달을 따기 위해서는 물리학적 원리를 정확해야 구현해야 하기 때문이다. 

▲ 시간은 알파인 스키를 비롯한 많은 올림픽 종목에서 매우 중요하다. © Jon Wick/ CC-by-sa 2.0

100분의 1초가 중요한 순간

스피드 스케이팅, 활강 스키, 크로스컨트리 스키, 봅슬레이, 루지 등 동계 올림픽에서는 시간이 승패를 결정짓는 중요한 요소다. 가장 짧은 시간에 결승선을 통과하는 선수가 승리한다.
시간은 일련의 사건으로 이루어진다. 도대체 시간은 정확히 무엇일까? 그리고 어떻게 측정할까? 물리적으로 시간은 일련의 사건들을 나타낸다. "이전"과 "이후"가 존재한다. 시간은 두 사건 사이의 간격으로 측정할 수 있다. 예를 들어 하루의 길이, 진자의 움직임, 또는 그 밖의 규칙적인 상태 변화 등이 있다. 다른 많은 과정과 달리 시간의 방향은 되돌릴 수 없다. 시간은 항상 앞으로만 흐른다.

우리 뇌 또한 사건을 기반으로 시간을 측정한다는 사실이 2024년에 밝혀졌다. 연구 결과에 따르면, 우리가 시간을 인식하는 방식은 객관적인 시간의 흐름이 아니라 경험과 활동의 양에 기반한다. 이러한 상대적인 기준은 시간이 항상 같은 속도로 흐르는 것처럼 느껴지지 않는 이유를 설명해 준다. 네바다 대학교의 제임스 하이먼(James Hyman)은 "지루할 때는 아무것도 하지 않거나 아무 일도 일어나지 않기 때문에 시간이 매우 느리게 흐른다. 하지만 많은 사건이 발생할 때는 이러한 각각의 활동이 우리의 뇌를 앞서게 한다"고 설명했다.

시간 측정: 하루 길이에서 원자시계까지

우리 조상들은 낮과 밤의 규칙적인 주기, 즉 지구의 자전을 시간의 기준으로 삼았다. 수천 년 동안 태양이 하늘을 가로지르는 겉보기 움직임을 통해 시간을 측정했으며, 해시계와 그림자의 움직임을 이용하여 시간이 얼마나 빨리 흐르는지 알아냈다. 1950년대까지 지구 자전은 세계 시간의 기준이었으며, 1초는 하루길이의 1/86,400로 정의되었다.

하지만 지구의 자전 속도는 계절, 조석, 지구 핵의 흐름, 지진, 그리고 특정 기상 조건 등 다양한 요인에 따라 변한다. 따라서 지구 자전은 현대 사회의 시간 측정 기준으로 사용하기에는 너무 정확하지 않다. 그래서 오늘날 우리는 원자시계를 시간 측정의 기준으로 삼고 있다. 극저온 상태의 세슘, 스트론튬, 또는 이터븀 원자의 상태 변화를 이용하여 시간을 측정한다. 이 원자들이 더 높은 에너지 상태로 전이하는 빈도를 측정함으로써, 이를 시간 측정 도구로 사용할 수 있다.

▲ 원자시계는 현대 시간 측정의 주요 장치다. 사진은 광학 스트론튬 원자시계의 진공 챔버다. © 독일 연방물리기술연구소(PTB)

모든 것이 상대적인 것일까?

많은 올림픽 경기는 보통 1/10초, 1/100초 차이로 승부가 결정되지만, 크로스컨트리 스키나 바이애슬론에서는 선수들 간의 시간 차이가 몇 분에 달하기도 한다. 예를 들어, 여자 크로스컨트리 스키 선수들은 30km 경주에서 한 시간 이상을 달린다. 하지만 같은 시간 동안 빛은 약 11억 킬로미터라는 엄청난 거리를 이동할 수 있다.

적어도 올림픽 선수들은 알베르트 아인슈타인이 특수 상대성 이론에서 설명했듯이 시간의 특이성, 즉 상대성이라는 사실에 휘둘릴까 봐 걱정할 필요는 없다. 강한 가속도나 중력은 시간을 팽창시킬 수 있다. 따라서 시간 간격은 비슷한 조건에서만 비교할 수 있다. 원자시계를 이용한 측정에서 알 수 있듯이, 높은 산에서는 계곡보다 시간이 아주 미세하게 더 빨리 흐르기 때문이다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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