상대성이론의 기본 가정

빛의 속도는 일정하다

아인슈타인의 상대성이론을 이루는 기본 가정은 빛의 속도가 일정하다는 것이다. 속도가 일정하다는 말은 느려졌다 빨라졌다 하지 않고 처음의 속도를 계속 유지한다는 말도 되지만 빛의 속도는 조금 더 특이한 성질을 보인다. 정지한 사람이 보건 움직이고 있는 사람이 보건 속도가 같다는 것이다. 다른 말로 표현하면 속도의 합법칙이 적용되지 않는다. 이게 우리의 경험과 충돌하는 빛의 성질인데, 가만히 생각해 보면 빛의 성질이 그렇게 되어야만 우리가 정상적인 삶을 살아갈 수 있다.

달리는 자동차에서 앞으로 공을 던지면 도로 위에 정지해 있는 사람이 볼 때 공의 속도는 차에 탄 사람이 공을 던진 속도에 자동차의 속도가 더해져서 엄청 빠르게 보일 것이다. 분명히 차에 탄 사람이 본 공의 속도는 밖에 서있는 사람이 본 공의 속도와 다르다. 그러나 빛에 있어서 만큼은 이 두 개의 속도가 같게 측정된다.

빛은 이 세상에서 가장 빠른 정보 전달 매개체이다. 사람들은 지금까지 빛의 속도를 능가하여 정보를 전달하는 수단을 찾지 못하였다. 그래서 빛은 이 세상에서 가장 안전한 정보 전달 수단이 된다. 이 빛을 통해 얻은 정보를 통하여 우리는 원인과 결과를 판단한다. 예를 들어, 저 멀리서 누가 나를 향해 총을 쏜다고 해 보자. 내 시력은 좋아서 그 사람의 손가락 움직임 하나하나를 다 볼 수 있다. 나는 그 사람이 방아쇠를 당기는 것을 보고 나서 총알이 총구를 빠져나오는 것을 목격하였다. 방아쇠를 당긴 것이 원인이고 총알이 발사된 것이 결과이다. 원인이 결과에 시간적으로 선행한다는 것이 인과율이다. 이 세상은 인과율이 지배하고 있다. 우리의 이성과 경험은 인과율 안에서 형성되며 만약 인과율이 깨진 현상을 목격한다면 우리는 이 것을 초자연적 현상이라고 부를 것이다.

빛의 속도에 합법칙이 적용된다면 우리는 초자연적인 현상을 경험할 수밖에 없게 된다. 우리가 총알이 날아오는 것을 본다는 것은 총알에 반사된 빛을 보는 것이다. 만약 빛에 속도의 합법칙이 적용된다고 가정하면 총알에 반사된 빛의 속도는 원래의 빛의 속도에 총알의 속도가 더해져야 한다. 그렇게 되면, 총알의 속도가 방아쇠를 당긴 손가락에 반사된 빛의 속도보다 더 빨라져야 한다. 그 말은 총알에 반사된 빛이 방아쇠를 당긴 손가락에 반사된 빛보다 내 눈에 먼저 도착한다는 말이다. 그러면 나는 총알이 발사된 후에 방아쇠를 당기는 모습을 목격할 수 있게 된다. 인과율이 깨지는 것이다.

인과율은 이 세상의 기본적인 법칙이므로 어느 상황에서도 인과율이 깨어지면 안 된다. 인과율이 깨어지지 않기 위해서는 우리가 세운 가정을 부정할 수밖에 없다. '빛에는 속도의 합법칙이 적용되지 않는다.' 이 말은 빛을 관측하는 사람 입장에서 보아도 마찬가지이다. 정지해 있는 사람이건 움직이고 있는 사람이건 빛의 속도는 동일하게 측정된다.

빛의 속도가 어느 상태의 누가 측정해도 동일하다는 것은 빛의 속도가 절대적이라는 말이다. 이 세상에서 절대적인 것은 빛의 속도뿐이다. 빛의 속도를 제외한 시간, 공간, 질량, 에너지 등 모든 것은 상대적이다. 시간, 공간, 질량, 에너지 등은 관측하는 사람의 상태에 따라 달라지는 변하는 것들이다. 이 부분이 상대성이론을 고전역학과 분리하는 가장 큰 기준이다.

내가 바닥에 가만히 누워 천장으로 레이저포인터를 쏜다. 천장에는 거울이 달려있어 바닥에서 쏘아진 레이저가 반사되어 다시 바닥으로 돌아온다. 나는 초정밀 시계를 가지고 있어서 레이저가 왕복한 시간을 정확히 잴 수 있다. 그런데 내가 누워있는 곳은 큰 우주선이었다. 내가 탄 우주선은 우주선 밖에 있는 내 친구에 대해 v의 속도로 이동하고 있었다. 내 친구가 보았을 때 내가 쏜 레이저 빛은 수직으로 바닥과 천장을 왕복한 것이 아니라 우주선의 속도가 더해져 사선으로 올라갔다 내려온다. 내 친구가 본 레이저 빛이 왕복한 거리는 내가 우주선 안에서 본 왕복 거리보다 길다. 그런데 빛의 속도는 누가 측정해도 동일하다고 하였으므로 내 친구가 보았을 때 빛이 왕복한 시간이 더 걸린다. 레이저 빛이 바닥과 천장을 왕복했다는 하나의 사건에 대해 내가 우주선 안에서 잰 시간과 내 친구가 우주선 밖에서 잰 시간이 다르다. 시간이 상대적이 되어버렸다.

그림. 우주선 안의 나와 밖의 친구 출처 : Google

내 친구가 우주선 안을 보았을 때 빛이 이동한 시간만 늘어난 것이 아니다. 나의 모든 동작이 슬로모션으로 보인다. 우주선 안의 시간 자체가 느리게 흐르는 것이다. 이 효과는 내 친구와 우주선의 상대속도가 빠르면 빠를수록 커진다. 그러나 우주선 안에 갇혀있는 나로서는 시간이 느리게 간다는 것을 어떤 방법을 통해서도 인지할 수 없다.