상대성이론(특수 상대성 이론)

우리는 어디에 살고 있는가? 그건 공간이다. 그럼 우리는 어디에 맞추어 살고 있는가? 그건 시간이다. 우리는 흔히 시간과 공간을 따로 떨어진 별개의 것으로 알고 살아간다. 하지만 그 시간과 공간이 서로 분리되어 있지 않다면 과연 어떤 일들이 일어날까?

당신이 가지고 있는 추억들은 과거시간의 기억들이다. 여자친구와 데이트를 했었던때, 남자친구와 첫키스를 했었던 장소.. 당신은 그것을 어떻게 기억하고 있는가?

"나는 남자친구와 남산타워에서 작년에 첫키스를 하였어"라고 기억할것이다. 빨간색 글씨로 표현된 부분은 장소, 즉 공간을 표시한다. 그리고 밑줄친 부분은 시간을 표시한다. 여러분은 지금 일어나고 있는 사건이나 과거에 일어난 사건을 시간으로만 기억할수 있는가? "나는 작년에 첫키스를 했어" "나는 남산타워에서 첫키스를 하였어" 물론 이렇게 대답할 수도 있을것이다. 그러나 이것은 일상생활에서 우리가 대화할 때만 쓰이는 화법일뿐 과학에서는 그렇지 않다.

한 예를 들자. 우리와 가장 가까이 있는 은하인 마젤란 은하에서 별이 폭발했다 생각해 보자. 일종의 사건이 일어난 것이다. 그럼 우리는 어떻게 그 사실을 깨닫는가? 우리들처럼 하늘만 바라보고 사는 사람들에 의해 그 사실을 알게 될 것이다. 무려 16만년이나 지난 지금에서야 알 수 있다. 지금으로부터 16만년전까지 우리는 비록 모르지만 마젤란 은하에서는 별이 폭발했다는 이야기이다. 이 이야기를 자세히 분석해 보자.

지금 마젤란 은하에서(우리와 같은 공간에 존재하는) 별이 폭발했다. 그러나 우리는 아직 알 수 없다. (우리의 공간과 시간은 마젤란 은하의 공간과 시간에 독립되어있다.)

우리에게 마젤란 은하에서 별이 폭발하는 것은 지금으로부터 16만년 뒤이다. 사건이 우리에게는 마치 지연된 것과 같이 보이는 것이다.

사건이 일어 나기 위해서는 시간의 기준과 공간이라는 틀이 필요하다. 그래서 시간과 공간은 독립되어 생각할 수 없다.

하지만 아인슈타인 이전의 이론물리학자들은 그 사실을 받아들이기 어려웠다. 창조이전에는 어느 것이 있었는가? 그 전에는 시간과 공간이 존재하지 않았다. 그럼 시간은 언제부터 측정되어 진 것인가? 창조 시대 이후부터이다. 물론 시간도 인간들이 만든 흐름의 척도 인지도 모른다. 하지만 지금 이시대까지 시간은 여전히 유용하게 사용되어 왔다. 물론 시간을 안만들어 냈다면 이렇게 고민할 필요도 없을지 모르지만 말이다.

아인슈타인은 시간과 공간(시공간)을 토대로 하여 빛의 성질을 연구하기 시작했다.

우리가 아는 흔한 뉴턴의 운동방정식에서 속도는 더할 수 있는 벡터의 양이라고 정의 했다.

당신이 자가용을 타고 100Km/h로 질주하고 있다고 하자. 그리고 공을 10Km/h의 속도로 던진다고 하자. 그렇다면 차 밖에서 그 공을 관측한 사람에게는 110Km/h로 공이 날아가는 모습이 보일 것이다. 즉 속도는 합쳐니다.

그러면 빛의 속도도 합하면 더 빠를수 있지 않을까?

아주 빠른 기관차에서 빛을 쏘아 그 속도를 측정 하였다. 위와 같다면 총 속도의 합은 빛의 속도와 기관차의 속도의 합이 될 것이다. 그런데 놀랍게도 빛의 속도는 일정하였다.(역사적으로는 지구가 공전하고 있는 방향으로 빛을 쏘아 결과를 측정했다고 한다.)

"빛의 속도은 어느 속도에서 측정하더라도 일정하다"

라는 결론이 성립하게 된다. 신기하지 않은가? 우리는 이미 세상에서 제일 빠른게 빛이라고 알고 있다. 이런 빛이 뉴턴의 운동법칙에 맞지 않았다. 아인슈타인은 새로운 생각을 하였다. 빛의 속도가 항상 일정해야 한다면 시간과 공간이 변해야 한다는 것이다.

스페이스타임즈 가두연 기자 omnip@sllab.co.kr 가두연 기자의 기사 더보기

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