속도가 빠르면 시간이 늘어나고 공간이 줄어든다고?
광속불변의 법칙이 만드는 시간 팽창, 동시성의 상대성, 길이 수축

100km/h로 달리는 차 A 옆에 100km/h로 나란히 달리는 차 B가 있으면, A의 관점에서 B는 정지 상태로 보인다. 반면에 B가 맞은편에서 100km/h로 달려오면 A의 관점에서 B는 200km/h로 다가오는 것처럼 보인다. 이것이 기본적인 ‘갈릴레오 상대성’, 즉 속도의 상대성이다. 하지만 빛은 속도의 상대성을 따르지 않는다. 299,792,458m/s라는 정해진 단 하나의 속도로만 날아간다.
우주의 그 무엇도 빛보다 빠를 수 없다. 빛조차 빛보다 빠를 수 없다. 즉 빛은 빛을 추월할 수 없다는 것이다. 심지어 빛의 절반 속도로 달리는 우주선에서 레이저총을 쏘더라도 그 레이저 빛은 빛의 1.5배 속도가 아닌, 정해진 단 하나의 속도, 즉 빛의 속도로만 날아간다. 이것이 광속불변의 법칙이다. 여기서 모든 일이 일어난다. 시간이 늘어나고 공간이 줄어든다.
광속 불변의 법칙은 먼저 시간의 절대성을 깨뜨린다. “빠르게 이동하는 물체에서 시간은 느리게 흐른다.” 지구에 남아 있는 쌍둥이가 늙어가는 동안 빛의 속도로 여행하는 쌍둥이는 여전히 어린 ‘쌍둥이의 역설’이다. 하지만 정확하게 표현하자면, 이 역시 관찰자의 관점에 따라 다른 상대적인 경향이다. 정확하게 표현하자면 빠르게 움직이는 물체의 시간은 그 물체를 바라보는 관찰자의 시점에서는 느려지는 것처럼 보일 뿐이다. 시간은 상대적이고, 시간은 팽창한다.
빛은 정해진 속도로 움직이므로 시간은 상대적이어야 하며, 이는 길이 역시 수축할 수밖에 없음을 의미한다. 빠르게 움직이는 물체는 움직이는 방향과 평행하는 길이로 압축된다. 빠르면 빠를수록 더 수축된다. 시간과 공간은 엄격하거나 절대적이지 않다. 움직이고, 팽창하며, 수축한다. 우리가 세상을 살아가며 경험을 통해 굳건히 쌓아 올린 시간과 공간의 특성을 완전히 무시한다.
상대성이론은 현실 세계에서는 구현할 수 없는 시공간에서 펼쳐지는 물리 이론이다. 하지만 그것을 통해 인류는 우주의 비밀에 더 깊이 다가설 수 있었다. 열차 여행을 통해 상대성이론의 주요 개념을 설명하는 이 책을 통해 우리는 시간과 공간, 세계와 우주에 대한 고정관념을 넘어서는 새로운 시각을 얻을 수 있다.