아인슈타인 특수상대성이론, 빠르게 달리면 시간이 느려진다

옛날 사람들은 시간이 전 우주 어디서나 똑같이 흐른다고 믿었다

자, 상상해 보세요. 교실 벽에 걸린 시계가 1초를 '째깍' 하고 셀 때, 화성에 있는 시계도 정확히 같은 1초를 세고 있을까요? 옛날 사람들은 당연히 그렇다고 믿었어요. 시간은 우주 어디서나 똑같은 속도로 흐르는 거라고요.

이 생각을 처음 단단하게 만든 사람은 아이작 뉴턴이에요. 뉴턴은 "시간은 절대적이다"라고 했어요. 쉽게 말하면, 시간은 누구에게나 공평하게 흐르는 거대한 우주 시계 같은 거라는 뜻이죠. 빠르게 달리든, 가만히 앉아 있든, 1초는 1초라는 거예요.

수백 년 동안 아무도 이걸 의심하지 않았어요. 그런데 1905년, 스위스 특허청에서 서류를 검토하던 스물여섯 살 청년이 "잠깐, 그거 틀렸는데?"라고 말해 버렸어요. 대학 교수도 아니고, 유명한 과학자도 아닌 평범한 직장인이요. 그 청년의 이름이 바로 알베르트 아인슈타인이에요.

빛의 속도에 가까워지면 시간이 느려진다 — 마치 게임 슬로모션처럼

아인슈타인은 아주 이상한 질문 하나에 꽂혔어요. "내가 빛을 타고 달리면, 빛은 어떻게 보일까?" 이 질문을 몇 년이나 붙잡고 있다가 놀라운 답을 찾아냈어요. 빛의 속도는 누가 어디서 측정해도 항상 똑같다는 거예요. 초속 약 30만 킬로미터, 절대 변하지 않아요.

그런데 속도가 절대 안 변하면, 대신 다른 게 변해야 해요. 뭐가 변하냐고요? 바로 시간이요! 엄청 빠르게 움직이는 사람한테는 시간이 느리게 흘러요. 게임에서 슬로모션 버튼 누르면 화면이 느릿느릿해지잖아요? 진짜 현실에서도 비슷한 일이 일어나는 거예요. 이걸 '특수 상대성이론'이라고 불러요.

예를 들어 볼게요. 쌍둥이 중 한 명이 빛에 가까운 속도로 우주여행을 다녀오면, 지구에 남은 쌍둥이보다 덜 늙어 있어요. 영화 '인터스텔라' 본 적 있으면 딱 그 장면이에요. SF가 아니라 진짜 물리학이라니, 소름 돋지 않나요? 그리고 아인슈타인은 여기서 멈추지 않고, 이 발견을 에너지라는 더 거대한 비밀로 연결시켜 버렸어요.

E=mc² 한 줄이 원자 속 엄청난 에너지를 열어버렸다

에너지라는 거대한 비밀, 그 열쇠가 바로 E=mc²이에요. 역사상 가장 유명한 공식이죠. E는 에너지, m은 질량(물체의 무게 같은 거), c는 빛의 속도예요. 빛의 속도를 제곱하면 어마어마하게 큰 숫자가 되거든요. 그래서 아주 작은 물질에도 상상을 초월하는 에너지가 숨어 있다는 뜻이에요.

얼마나 크냐고요? 클립 하나 정도 무게의 물질을 전부 에너지로 바꾸면, 도시 하나를 통째로 밝힐 수 있어요. 급식 때 먹는 밥알 하나에도 핵폭탄 수준의 에너지가 잠들어 있는 셈이에요. 물론 꺼내기가 엄청 어려운 거지, 에너지 자체는 진짜로 있어요.

이 공식 덕분에 인류는 원자력 발전을 만들 수 있었어요. 원자핵을 쪼개서 아주 적은 물질로 어마어마한 전기를 생산하는 거죠. 물론 핵무기라는 무서운 결과도 나왔지만, 아인슈타인 본인은 평화를 간절히 원한 사람이었어요. 그리고 이 이론의 영향은 발전소나 무기에서 끝나지 않았어요. 지금 여러분의 주머니 속까지 들어와 있거든요.

네 주머니 속 스마트폰 GPS도 이 발견 없이는 수백 미터씩 틀린다

스마트폰으로 지도 앱 켜본 적 있죠? 파란 점이 내 위치를 거의 정확하게 찍어 주잖아요. 이게 되려면 하늘 위 GPS 위성이 보내는 신호의 시간을 아주 정밀하게 계산해야 해요.

그런데 GPS 위성은 지구 위 약 2만 킬로미터 상공에서 엄청난 속도로 돌고 있어요. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면, 빠르게 움직이는 위성의 시계는 지구 위 시계보다 살짝 느리게 가요. 게다가 중력이 약한 높은 곳에서는 시간이 조금 더 빨리 흘러요. 이 두 효과를 합치면 하루에 약 38마이크로초, 그러니까 0.000038초 차이가 나요.

"겨우 그거?"라고 생각할 수 있는데, 이 작은 차이를 무시하면 GPS 위치가 하루에 약 10킬로미터씩 어긋나요. 학교 찾아가려다 옆 동네 끝에 도착하는 거예요! 그래서 GPS 위성에는 아인슈타인의 공식으로 시간을 보정하는 장치가 들어 있어요. 100년도 더 전에 스물여섯 살 청년이 떠올린 생각이, 지금 여러분이 길 찾을 때마다 조용히 작동하고 있는 거예요. 꽤 멋지지 않나요?