아인슈타인의 상대성이론은 어렵고 복잡한 공식으로 알려졌지만 핵심은 의외로 단순하다. “빠르게 움직이거나 강한 중력 속에서는 시간과 공간이 달라진다”는 개념이다.
상대성이론은 크게 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나뉜다. 특수상대성이론은 빠른 속도를, 일반상대성이론은 중력을 설명한다.
가장 유명한 개념은 ‘시간 지연’이다. 쉽게 말하면 빠르게 움직이는 사람의 시간은 천천히 흐른다.
예를 들어 지구에 있는 형과 우주선을 타고 빛에 가까운 속도로 여행한 동생이 있다고 가정해보자.
동생은 우주선 안에서 5년을 보냈다고 느끼지만 지구에서는 20년이 흘러 있을 수 있다. 다시 만나면 동생은 젊고 형은 훨씬 늙어 있다.
이는 공상과학 영화에서 자주 등장하는 설정이지만 실제 물리학 계산에서도 성립한다.
아인슈타인의 특수상대성이론 핵심 공식은 다음과 같다.
t’ = \frac{t}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
여기서
t는 지구 시간,
t′는 빠르게 움직이는 사람의 시간,
v는 물체 속도,
c는 빛의 속도다.
속도가 빛에 가까워질수록 분모 값이 작아져 시간이 더 느리게 흐르게 된다.
실제 사례도 존재한다.
GPS 위성은 지구 상공을 매우 빠르게 돌고 있다. 상대성이론을 적용하지 않으면 GPS 위치 오차가 하루 수㎞까지 벌어진다. 스마트폰 내비게이션이 정확히 작동하는 것도 결국 상대성이론 계산 덕분이다.
일반상대성이론에서는 중력도 시간을 느리게 만든다.
중력이 강한 곳일수록 시간이 천천히 흐른다. 블랙홀 근처에서 시간이 극도로 느려지는 이유다.
대표적인 예시는 영화 인터스텔라다. 영화 속 주인공들은 강한 중력 행성에서 몇 시간을 보내지만 우주선에서는 수십 년이 흐른다. 실제 일반상대성이론 계산을 바탕으로 만든 설정이다.
일반상대성이론의 핵심은 “중력은 힘이 아니라 공간의 휘어짐”이라는 개념이다.
무거운 볼링공을 침대 위에 올려두면 매트리스가 움푹 꺼진다. 그 주변으로 작은 공을 굴리면 큰 공 쪽으로 끌려간다. 아인슈타인은 우주 공간도 이처럼 휘어진다고 설명했다.
태양 주변 공간이 휘어 있기 때문에 지구가 태양 주위를 도는 것이다.
과거에는 뉴턴이 중력을 “물체 사이의 힘”으로 설명했다면 아인슈타인은 “휘어진 시공간 구조”로 해석한 셈이다.
상대성이론은 처음 등장했을 때 너무 혁명적이라 많은 과학자들이 믿지 못했다. 그러나 이후 여러 실험으로 검증됐고 현대 물리학의 핵심 이론으로 자리 잡았다.
오늘날 우주항법, 위성통신, 블랙홀 연구, 우주론 대부분이 상대성이론 위에서 작동하고 있다.
“시간은 왜 느려질까”…상대성이론, 일상 예시로 풀어보니
