아인슈타인 특수상대성이론, 빠르게 달릴수록 시간이 느려진다

옛날 사람들은 시간이 누구에게나 똑같이 흐른다고 믿었어

자, 상상해 봐요. 여러분이 KTX를 타고 부산으로 달리고 있어요. 옆자리 친구가 "지금 몇 시야?" 하고 물으면, 당연히 서울에 있는 엄마 시계랑 똑같은 시간이라고 생각하죠? 옛날 사람들도 마찬가지였어요. 시간은 우주 어디서든, 누가 뭘 하든 똑같은 속도로 흐른다고 철석같이 믿었어요.

이 생각을 처음 정리한 사람은 뉴턴이라는 유명한 과학자예요. 뉴턴은 시간을 거대한 시계처럼 생각했어요. 우주 어딘가에 절대로 빨라지거나 느려지지 않는 완벽한 시계가 째깍째깍 돌아가고 있고, 모든 사람이 그 시계에 맞춰 산다는 거예요. 200년 넘게 아무도 이 생각을 의심하지 않았어요.

그런데 1800년대 말, 과학자들이 빛의 속도를 측정하다가 이상한 걸 발견했어요. 빛은 내가 가만히 서 있든, 로켓을 타고 날아가든 항상 같은 속도로 움직였거든요. 마치 게임에서 아무리 빠른 탈것을 타도 절대 잡을 수 없는 NPC 같은 거예요. 이건 뉴턴의 '절대 시간'으로는 도무지 설명이 안 되는 수수께끼였어요. 바로 이 수수께끼를 풀어낸 사람이 스물여섯 살의 청년, 알베르트 아인슈타인이에요.

빛의 속도로 달리면 시간이 천천히 가고, 에너지가 질량이 된다는 걸 수학으로 증명했어

아인슈타인은 대학교수도 아니었어요. 스위스 특허청이라는 곳에서 서류를 검토하는 평범한 직원이었죠. 그런데 퇴근 후에 혼자 머릿속으로 엄청난 실험을 했어요. '만약 내가 빛을 타고 달리면 세상이 어떻게 보일까?' 이런 상상이요. 마치 유튜브 영상을 일시정지 해놓고 그 안을 걸어 다니는 느낌이랄까요.

그렇게 생각하고 또 생각한 끝에, 1905년 아인슈타인은 깜짝 놀랄 결론을 내렸어요. 빛의 속도가 항상 같으려면, 대신 시간이 늘어나거나 줄어들어야 한다는 거예요! 빠르게 움직이는 사람에게는 시간이 느리게 흘러요. 이걸 '특수 상대성이론'이라고 불러요. 쉽게 말하면, 빛에 가까운 속도로 달리는 우주선을 타면 내 시계가 천천히 가니까 나는 나이를 덜 먹는다는 뜻이에요!

여기서 끝이 아니에요. 아인슈타인은 세상에서 가장 유명한 공식도 만들었어요. E=mc². 에너지(E)는 질량(m)에 빛의 속도(c)를 두 번 곱한 것과 같다는 뜻이에요. 지우개만 한 작은 물질도 빛의 속도의 제곱만큼 어마어마한 에너지를 숨기고 있다는 거예요. 급식 때 먹는 밥 한 공기가 사실은 도시 하나를 밝힐 에너지를 품고 있다니, 믿어지나요? 바로 이 하나의 발견이 우주를 보는 눈을 완전히 바꿔 버렸어요.

이 발견 하나로 우주의 작동 원리가 완전히 뒤집혔어

우주를 보는 눈이 바뀌었다는 게 무슨 뜻이냐면요, 그전까지 과학자들은 우주 공간을 네모 반듯한 모눈종이처럼 생각했어요. 별이든 행성이든 그 평평한 종이 위에서 움직인다고 봤죠. 그런데 아인슈타인은 10년을 더 연구해서 1915년에 '일반 상대성이론'을 발표했어요. 무거운 별은 주변의 시공간을 휘게 만든다는 거예요. 트램펄린 위에 볼링공을 올려놓으면 천이 푹 꺼지잖아요? 우주 공간도 딱 그렇게 휘어진다는 뜻이에요.

이 이론 덕분에 우리는 블랙홀이 왜 존재하는지, 빛이 왜 무거운 별 옆에서 휘어지는지 설명할 수 있게 됐어요. 2019년에 과학자들이 처음으로 블랙홀 사진을 찍었을 때, 그 사진이 아인슈타인의 이론과 정확히 일치했어요. 100년도 더 전에 연필과 종이만으로 예측한 게 맞아떨어진 거예요!

E=mc²도 세상을 뒤흔들었어요. 이 공식은 원자력 발전의 원리가 됐고, 태양이 어떻게 수십억 년 동안 빛을 낼 수 있는지도 설명해 줬어요. 아인슈타인의 머릿속 상상이 우주의 가장 큰 비밀들을 하나하나 풀어낸 거예요. 그런데 놀라운 건, 이 이론이 먼 우주 이야기만은 아니라는 거예요.

네 주머니 속 스마트폰 지도가 정확한 건 바로 이 이론 덕분이야

먼 우주 이야기가 아니라니, 무슨 뜻이냐고요? 여러분이 스마트폰으로 길을 찾을 때 쓰는 GPS, 그게 바로 아인슈타인 덕분에 작동해요. GPS 위성은 지구 위 약 2만 km 높이에서 빙빙 돌고 있어요. 이 위성들은 지구보다 중력이 약한 곳에 있어서 시간이 살짝 빠르게 흘러요. 또 빠른 속도로 움직이니까 시간이 살짝 느려지기도 해요. 이 두 가지 효과를 합치면, 위성 시계가 하루에 약 38마이크로초(0.000038초)씩 어긋나요.

"겨우 그거?" 싶죠? 그런데 이 작은 차이를 무시하면 GPS 위치가 하루에 약 10km씩 틀어져요. 학교에 가려고 지도를 켰는데 엉뚱하게 산꼭대기를 안내하는 셈이에요! 그래서 GPS 위성에는 아인슈타인의 상대성이론에 따라 시간을 보정하는 장치가 들어 있어요.

결국 100년 전에 특허청 직원이 상상으로 시작한 이론이, 지금 여러분이 "배달 얼마나 남았지?" 하고 앱을 확인할 때마다 조용히 일하고 있는 거예요. 아인슈타인은 이렇게 말했어요. "상상력은 지식보다 중요하다." 혹시 여러분도 지금 이상한 질문 하나 떠올랐다면, 그게 다음 세상을 바꿀 시작점이 될 수도 있어요!