초등학생도 이해하는 특수 상대성 이론

아인슈타인의 상대성 이론을 한 번쯤 들어는 봤지만, 정확히 알지는 못하실 겁니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론으로 크게 두 가지로 나뉩니다.

 

특수 상대성 이론이 먼저 등장했고 이후 이를 보완하기 위해 일반 상대성 이론이 등장했습니다. 쉽게 말하자면 특수상대성 이론을 우리 실생활에 적용한 것이 바로 일반 상대성 이론입니다.

 

크게 두 가지로 나누어 특수상대성 이론을 설명하겠습니다. 공간과 시간으로 한번 나눠보겠습니다.

 

 

1. 공간의 개념

특수상대성 이론에 따르면 빛의 속도는 일정하고 빛보다 빠른 것은 없습니다. 쉬운 설명을 위해 영화 분노의 질주를 예를 들어 설명하겠습니다. 분노의 질주에서는 레이싱을 펼치는 두 자동차가 아주 빠른 속도로 달리는 장면이 나옵니다. 두 차는 매우 빨리 달리고 있고 이들의 속도는 비슷합니다. 엄청 빠르게 달림에도 불구하고 두 운전자는 서로를 쳐다보고 대화도 나눕니다.

 

이는 우리가 당연하게 생각하지만 알고 보면 이해하기 어려운 장면입니다. 예를 들어 제가 가만히 길가에 서 있다고 해봅시다. 제 앞으로 시속 150km로 달리는 스포츠카가 쌩하고 지나갑니다. 그럼 제가 그 운전자의 얼굴을 볼 수 있을까요? 더 나아가 그 운전자와 대화를 할 수 있을까요? 불가능합니다. 왜냐하면, 그 차는 제 앞을 1초 만에 지나갈 것이기 때문입니다.

 

하지만 저 또한 차를 타고 시속 150km로 그 스포츠가 옆에서 나란히 달린다면 저는 그 운전자를 볼 수도 있고 대화도 할 수 있습니다. 스포츠카 운전자가 150km로 달리고 저 또한 150km로 달리고 있기 때문에 우리 둘의 속도는 상대적으로 0km가 될 수 있는 것입니다.

 

이처럼 특수상대성 이론에 따르면 시간과 공간의 속도에 따라 상대적입니다. 공간이 속도에 따라 상대적이기 때문에 가만히 서 있는 나는 스포츠카를 타는 운전자의 얼굴을 볼 수 없습니다. 하지만 제가 옆에서 그 차와 같은 속도로 나란히 달린다면 저는 그 운전자의 얼굴을 볼 수 있습니다.

 

공간은 절대적인 게 아니라 관찰자의 속도에 따라 상대적입니다. 공간적으로 가만히 서 있는 저의 속도는 시속 0km입니다. 이런 저에게 스포츠카의 속도는 시속 150km입니다. 하지만 공간적으로 차를 타고 시속 150km로 달리는 저에게는 스포츠카의 속도는 0km입니다.

 

앞서 말씀드린 대로 핵심 내용은 빛의 속도는 일정하고 빛보다 빠른 것은 없다는 것입니다. 상대성 이론에 따르면 시간 속도 공간 등 모든 것은 상대적입니다. 하지만 그럼에도 불구하고 절대적으로 불변하는 한 가지가 있습니다. 그건 바로 빛의 속도입니다.

 

예를 들어 빛의 속도가 시속 150km라고 합시다. 그럼 제가 차를 타고 시속 150km로 달린다면 스포츠가 운전자의 얼굴을 볼 수 있듯이 빛을 볼 수 있어야 합니다. 하지만 앞서 말씀드렸듯이 이 빛의 속도는 상대적이지 않고 절대적으로 불변한 속도입니다. 따라서 제가 빛과 같이 속력으로 달린다 해도 저는 빛을 볼 수 없습니다. 같은 속력을 낸다 해도 빛은 상대적으로 속도가 0km로 변하지 않습니다. 시속 150km로 달리고 있는 저에게 빛은 여전히 시속 150km로 지나갑니다.

 

우리는 모든 것이 상대적인 공간에 살고 있습니다. 따라서 빛의 속도가 불변한다는 개념은 우리 생활 속에서 나타나기 어려운 현상입니다. 그로 인해 이 개념이 이해하기 어려울 수도 있겠지만 받아들여야 합니다. 이해가 되지 않더라도 사실이기 때문입니다. 모든 것은 상대적이지만 빛의 속도 많은 절대적이고 변하지 않습니다. 그리고 그 빛보다 빠른 것은 없습니다. 이게 바로 상대성 이론 핵심 내용입니다.

 

 

2. 시간의 개념

특수 상대성 이론에 따르면 속도가 빠르면 시간이 느리게 흐릅니다. 이것도 쉽게 영화 혹성탈출 예를 들어 설명하겠습니다. 혹성탈출에서 주인공은 우주여행을 하다가 다시 지구로 돌아오게 되었습니다. 돌아온 지구는 시간이 한참 지나 원숭이들이 주인이 돼 버린 행성이 되어 버렸습니다. 우주선에서는 몇 년이란 시간밖에 흐르지 않았지만, 지구에서는 수많은 시간이 지나 아예 생태계가 바뀌어 버린 겁니다. 우주선의 속도가 엄청나게 빨랐기 때문에 우주선을 타고 있던 주인공의 시간은 느리게 흐른 것이죠.

 

이 또한 상대성 이론의 개념입니다. 상대성 이론에 따르면 공간뿐만 아니라 시간도 속도에 따라 상대적입니다. 예를 들어 제가 서울에서 출발해 부산까지 걸어간다고 가정해 봅시다. 사람이 걷는 속도는 시속 5km 정도입니다. 이 속도로 부산까지 간다면 대략 20일이라는 시간이 소요됩니다.

 

하지만 ktx를 타고 간다면 어떨까요? ktx의 속도는 시속 300km입니다. 이 속도로는 서울에서 부산까지 3시간이 조금 덜 걸립니다. 같은 거리를 5km 속도로 걸어가면 20일이 걸리지만 300km 속도의 ktx를 타면 3시간이 걸리게 됩니다. 즉 ktx를 탄 사람은 걸어가는 사람에 비해 19일 21시간을 더 벌게 된 것이죠. 이처럼 속도에 따라 걸리는 시간은 상대적입니다. 속도가 빠르면 빠를수록 걸리는 시간은 적습니다. 이 말은 즉 속도가 빠를수록 시간이 느리게 간다는 말입니다.

 

우리는 지구에 있을 때 지구의 공전 속도에 맞춰 늙어 갑니다. 하지만 만약 우리가 지구의 공전 속도보다 훨씬 빠른 우주선을 타고 간다면 어떨까요? 그렇다면 지구에 있는 사람들과 우주선을 타고 있는 우리의 시간은 차이가 나게 될 것입니다. 속도에 따라 시간도 상대적으로 달라지기 때문입니다. 속도가 빠를수록 시간은 느리게 흐릅니다. 그렇기 때문에 우주선을 탄 혹성탈출 주인공의 시간과 지구에 있던 사람의 시간은 다르게 흐른 것이죠.