§1모든 것은 두 개의 가정에서

특수 상대성이론 전체는 놀랍도록 단순한 두 원리 위에 서 있습니다. ① 상대성 원리 — 등속으로 움직이는 모든 관측자에게 물리 법칙은 똑같다. ② 광속 불변의 원리 — 진공에서 빛의 속력 c는 누가 재도, 광원이 어떻게 움직여도 항상 같다(정확히 299,792,458 m/s). 두 번째가 문제의 씨앗입니다.

시속 100km 기차에서 시속 100km로 공을 던지면 밖에서는 200km로 보입니다. 그런데 빛은 기차에서 쏘든 지상에서 쏘든 똑같이 c로 측정됩니다. 속도가 더해지지 않는다면, 무언가 다른 것이 양보해야 합니다. 속력 = 거리 ÷ 시간인데 속력(c)이 고정이라면, 양보할 수 있는 것은 거리(공간)와 시간뿐입니다. 아인슈타인의 천재성은 "시간과 공간이 절대적"이라는 상식을 버리고, 대신 "광속이 절대적"이라는 실험 사실을 택한 데 있었습니다.

§2빛 시계 사고실험 — 시간 지연

거울 두 장 사이를 빛이 수직으로 튕기는 빛 시계를 상상해 봅시다. 빛이 한 번 왕복하면 1틱. 이 시계를 우주선에 싣고 옆으로 날면, 지상에서 볼 때 빛은 수직이 아니라 비스듬한 지그재그를 그리며 더 긴 거리를 이동합니다. 그런데 광속은 불변이므로 — 더 긴 거리 ÷ 같은 속력 = 더 긴 시간. 즉 움직이는 시계는 느리게 갑니다. 이것이 시간 지연(time dilation)이며, 지그재그 경로의 빗변·밑변·높이에 피타고라스 정리를 적용하면 로런츠 인자 γ가 그대로 유도됩니다.

§3동시성의 붕괴, 그리고 쌍둥이

더 충격적인 결론은 "동시"라는 개념이 관측자마다 다르다는 것입니다(동시성의 상대성). 한 사람에게 동시에 일어난 두 사건이, 움직이는 다른 사람에게는 시간차를 두고 일어납니다. 여기서 그 유명한 쌍둥이 역설이 나옵니다 — 빠른 우주선으로 여행한 쌍둥이가 돌아오면 지구에 남은 쌍둥이보다 젊습니다. "서로 상대가 느리게 보이는데 왜 비대칭이냐"는 물음의 답은, 여행한 쪽만 방향을 틀며 가속을 겪었기 때문입니다.