높은 곳에 살면 정말 빨리 늙을까?···상대성 이론과 생체 시간의 관계

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시간은 어디서나 똑같이 흐를까. 아침에 일어나고, 저녁에 잠드는 하루의 리듬은 고층 아파트든 지상 주택이든 똑같을 것이다. 하지만 물리학자들은 100년 전부터 “높은 곳일수록 시간이 더 빠르게 흐른다”고 주장해왔다. 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 실험 결과를 통해 일정 부분 사실로 입증된 내용이다.

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그렇다면 이런 질문도 가능해진다. 높은 곳에서 사는 사람은 정말 더 빨리 늙는 걸까? 이 단순한 호기심은 현대 물리학과 생물학이 만나는 지점에서 꽤 진지한 과학적 탐구로 이어진다.

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상대성 이론, 시간은 위치에 따라 다르게 흐른다

1907년 아인슈타인은 중력장이 강할수록 시간이 느려지고, 중력이 약할수록 시간이 더 빠르게 흐른다는 일반 상대성 이론을 발표했다. 이 이론에 따르면 지상보다 고도가 높은 곳에서는 중력이 약하기 때문에 시간은 더 빠르게 흐른다.

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이 주장은 2010년 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)의 연구진에 의해 실험적으로 입증되었다. 연구팀은 고도 차이가 단 33cm밖에 나지 않는 두 위치에 각각 원자시계를 설치하고 시간의 흐름을 정밀하게 비교했다. 그 결과, 고도가 더 높은 위치의 시계가 아주 미세하게 더 빠르게 움직이는 것이 확인되었다.

 

이 연구는 국제학술지 사이언스(Science) 2010년 9월 24일자(Chou et al., Science, Vol. 329, Issue 5999, pp. 1630-1633)에 발표되며 상대성 이론의 일상적 적용 가능성을 실험으로 보여준 대표 사례가 되었다.

 

 

 

중력이 강한 곳에서는 시공간이 더 크게 휘어지고, 시간이 느려진다. 반대로 중력이 약한 곳에서는 시간이 더 빠르게 흐른다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 중력 퍼텐셜이 높은 곳일수록(즉, 고도가 높거나 중력이 약한 곳) 시공간의 곡률이 작아지고, 상대적으로 시간은 빠르게 흐른다. 이 원리는 블랙홀과 같은 강한 중력장뿐만 아니라, 지구상의 작은 고도 차이에서도 원자시계를 통해 실험적으로 확인된 바 있다. [사진newsroom.ucla.edu]

이후에도 관련 정밀도는 크게 향상되었다. 2022년에는 일본 도쿄대학교와 동경대학교 광과학기술연구센터 연구진이 고도 차이 단 1밀리미터에서 발생하는 시간 흐름의 차이를 감지하는 데 성공했다. 연구에 사용된 광격자 원자시계(optical lattice clocks)는 지금까지 개발된 시계 중 가장 정밀한 수준이며, 밀리미터 단위 높이에서도 시간 지연(time dilation)을 실험적으로 검증할 수 있었다.

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이 연구는 국제학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics, 2022년 12월, Takano et al.)에 실렸으며, 상대성 이론이 나노 수준의 공간에서도 실제로 적용된다는 점을 보여준 획기적인 결과로 평가받는다.

 

상대성 이론은 맞지만, 생물학적 노화는 또 다른 이야기

물리적 시간의 흐름이 다르다고 해서 생물학적 노화 속도까지 영향을 받는 것은 아니다. 고도에 따른 시간 차이는 인간의 수명 전체를 기준으로 해도 1초를 넘기지 않을 정도로 극히 미미한 수준이다.

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예를 들어, 고층 아파트 꼭대기와 1층 사이의 고도 차이로 발생하는 시간 차이는 1년에 약 1나노초(10억분의 1초)도 되지 않는다. 이는 생체 리듬이나 노화에 영향을 줄 수 있는 수준이 아니다.

 

 

 

상대성 이론과 생체 시간과의 관계. 고도가 높다고 노화가 촉진된다고 보기는 어렵다.

 

노화는 세포의 분열 한계, 텔로미어 단축, 산화 스트레스, 생활습관 등 복잡한 생물학적 요인의 영향을 받는다. 고지대에 거주하는 사람들의 경우, 산소 농도가 낮은 저산소 환경에서 살아가기 때문에 세포 스트레스가 증가할 수 있다는 가설이 있지만, 반대로 일부 연구에서는 고산지대 거주자가 심혈관 질환 위험이 낮고 평균 수명이 더 길다는 결과도 제시되고 있다.

즉, 고도가 높다고 해서 노화가 촉진된다고 단정하기는 어렵다. 생물학적 노화는 물리적 시간보다는 유전, 환경, 식습관, 수면, 스트레스 등 훨씬 다양한 요소에 의해 결정된다.

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상대성 이론과 생물학의 경계

오늘날 위성항법장치(GPS)는 상대성 이론을 보정값으로 적용해 정확한 위치 정보를 제공한다. 인공위성은 지상보다 훨씬 높은 고도에서 중력이 약한 환경에 있기 때문에, 상대적으로 시간은 더 빠르게 흐르며, 이를 반영하지 않으면 위치 오차가 수 미터에 이르게 된다.

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이처럼 아인슈타인의 이론은 매우 정밀한 기술의 기반이 되었고, 고도에 따른 시간 차이는 이제 더 이상 이론적 가정이 아니라 실험적 사실이다. 그러나 인간의 삶에서 이 차이는 거의 무시해도 좋을 정도로 작기 때문에, 높은 곳에서 산다고 해서 더 빨리 늙는다는 말은 과학적으로는 사실이 아니다. 사람을 늙게 만드는 것은 고도가 아니라, 살아가는 방식이다.

 

 

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