빛의 속도를 따라서, 상대성이론

- 상대성이론, 위성과 GPS, 빠른 달리기에서의 상대적인 움직임

인간은 얼마나 빨리 달릴 수 있는 것일까? 그리고 극한의 속도로 움직이는 물체에는 어떤 자연법칙이 적용되는 것일까? 대략 10년 전 경의 예측에 의하면 대략 2025년 정도 (올해)에는 인간의 마라톤 기록이 2시간 이내가 될 것이라는 예측이 된 바 있다. 현재 공인 국제 마라톤 세계기록은 2시간 35초로 불과 35초의 차이로 두시간 안쪽의 기록에 근접하고 있다. 더 나아가 최근 공식인정 기록은 아니지만 엘리어트 킵초계 선수는 자신의 동료들과 함께 한 2019년 비엔나에서 열린 기획 거리주에서 실제로 2시간 이내의 기록, 1:59:40초로 풀코스 비공식 기록을 세운 바 있다. 이렇게 인간이 긴 거리를 달리는 속도는 점점 빨라 지고 있으며 그 끝이 어디일지 지금으로서는 아무도 알 수 없다.

하지만 자연법칙에 의한 물체의 움직임은 빛의 속도를 넘지 못한다는 사실은 물리학에서 잘 알려져 있다. 이는 아인슈타인에 의해 가정되고 상대성이론으로 정립되ㄱ었으며 그 결과는 에딩턴 경에 의해 관측에 의한 실험으로 검증된 바 있다. 이를 바탕으로 유추해 본다면 인간은 빛의 속도를 넘어 달리는 것은 불가능하다고 단정적으로 말할 수 있다.

물론 인간의 한계가 빛의 속도가 아닌 빛의 속도 근처까지만 된다고 하더라도 놀라운 일이 아닐 수 없다. 이는 빛의 속도가 얼마나 빠른가에 대한 해석이 될 수 도 있다. 빛은 대략 3*10^8 m/s (3억 m/s)의 속도를 가지고 있으며 마라톤 풀코스 (42km)를 대략 0.00014초에 돌파할 수 있다. 상상하기 힘든 속도이기는 하지만 다른 한편으로 그 속도가 유한한 정도로 정해져 있다는 사실 역시 또한 놀라운 일이다. 문제는 그러한 놀라운 빠르기로 운동하는 물체는 그 움직임에 어떠한 영향이 있으며 그러한 상상조차 하기 어려운 속도에서 운동의 법칙이라는 것이 이미 설명한 바와 같이 적용될 수 있느냐라고 하는 의문이 생긴다. 그 답은 그렇게 빠른 속도 즉 빛에 속도에 근접한 물체에게 있어서 더이상 뉴튼의 운동법칙은 적용되지 않는다라는 것이며 그러한 영역에서는 상대성이론에 의한 운동법칙이 적용된다.

상대성이론에 의한 운동법칙은 가히 매우 놀랄만 하다. 더 이상 우리가 늘상 경험하는 종류의 운동법칙이 아니기 때문이다. 그렇게 빠른 속도로 움직이는 물체에게 있어서 시간이란 더 이상 절대적이고 객관적으로 정의될 수 있는 물리량이 아니다. 또한 우리가 살고 있는 공간이라는 것 역시 그렇게 단순히 사방으로 균일하게 분포하는 것이 아니라는 점은 매우 놀랍다. 빛의 속도 근처에 해당하는 빠르기로 움직이는 물체는 더 이상 우리가 이전까지 알고 있던 종류의 위치와 공간을 경험하지 않는다. 정지한 물체가 보았을 때 그러한 물체가 지닌 시간은 매우 천천히 흐르기 시작하고 그러한 물체가 지나가는 공간은 주변에 분포하는 질량을 가진 물체에 때라 휘어지기도 한다. 이것이 상대성이론에 의해 예측된 바이며 그러한 결과들은 매우 정교한 실험들을 통해 여러차례 검증된 바 있다.