상대성이론 핵심 파악하기(2)

쌍둥이 역설이란 무엇일까요? 특수 상대성이론에 의하면 시간의 흐름이 느려지거나 빨라지는 것은 '서로 같습니다.' 조금 더 구체적으로 말해보겠습니다. 한 사람이 굉장히 빠른 속도의 우주선을 타고 우주로 나아갑니다. 또 한 사람은 지구에 남아있습니다. 굉장히 빠른 속도의 영향을 받아 시간이 느려지고 빨라지고 하는 것은 우주선에서 지구에 남은 사람을 바라보거나 지구에서 우주선을 타고 빨리 멀어지는 것을 바라보거나 같습니다. (이 내용은 특수 상대성 이론에 의해 도출되는 것입니다) 만약 한 쌍의 쌍둥이 형제 중 한 명이 우주선을 타고 아주 빠른 속도로 어딘가에 갔다가(꽤 시간이 흐른 후- 그 때까지 계속 이동) 다시 되돌아온다고 가정해봅니다. 하루 이틀 정도가 아니라 최소 10년 이상의 거리를 갔다오는 것이며 속도는 거의 일정하게 쉬지 않고 갔다온다고 가정해보겠습니다. 우주선을 타고 떠난 사람 입장에서는 지구에 남아있는 사람이 고속으로 이동하는 것이기 때문에 지구에 남아 있는 사람의 시간이 느려집니다. 지구에 남아있는 사람의 입장에서는 고속으로 이동하는 사람은 당연히 우주선을 타고 빠르게 이동하고 있는 사람이므로 우주선에 타고 있는 사람의 시간이 느려집니다. 서로가 다른 사람의 시간이 느려진다고 말하고 있습니다. 그럼 과연 진짜로 느려지는 사람은 누구일까요? 아인슈타인이 이런 방식으로 이해한 것은 그의 이론인 상대성 이론이 기존의 절대 진리로 여겨지던 뉴턴의 역학을 깨부셨기 때문입니다. 뉴턴은 절대 시간과 공간이 마치 좌표처럼 존재하리라 믿었습니다. 그러나 아인슈타인은 시공간이 관찰자에 따라 다르게 진행될 수도 있다는 것을 알게 되었죠. 그 실험과 핵심 아이디어는 일단 이 글에서 다루지 않겠습니다(내용이 너무 길어지기 때문이죠). 

다시 쌍둥이 역설로 되돌아가 보겠습니다. 우주선의 속도를 광속의 약 60%라고 하고 편도 6광년, 왕복 12광년인 거리를 속도를 유지하여 여행한다고 했을 때, 지구에 있는 사람 입장에서는 총 20년이 걸리고 우주선에 있는 사람 입장에서는 16년이 걸리는 것으로 이해됩니다. 이게 가능한 이유는 광속에 얼마에 해당되는 속도로 '멀어지고' '가까워지고'의 차이가 있기 때문입니다. 즉 양쪽에서(우주선과 지구) 서로 계속 현재 영상을 보낸다고 할 때 우주선이 멀어질 때는 우주선 8년 영상 = 지구 16년 영상이 되고 가까워질 때는 우주선 8년 영상 = 지구 4년 영상이 됩니다. 타당하고 깔끔한 설명이기는 하지만 우리의 직관에 완전히 부합하지는 않습니다. 이를 일반 상대성 이론으로 이해해보면 훨씬 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 일반 상대성 이론에 따르면, 중력이 커지는 경우 절대적으로 시간이 느려집니다. 따라서 우주선이 광속의 얼마에 해당하는 속도로 지속적으로 이동하는 경우, 그것의 겉보기 중력이 유지됩니다. 이는 지구의 중력보다 크므로 계속해서 가해지는 중력의 차이에 의해 시간 흐름의 차이도 발생합니다. 따라서 아주 빠르게 이동하는 우주선에 타 있는 사람의 시간이 (이동하는 한) 언제나 지구보다 시간이 느려집니다. 굉장히 빠른 속도의 우주선을 타고 약 20년 정도 지속적으로 이동하여 특정 반환점을 돌아 다시 지구로 되돌아오는 경우 무조건 우주선에 타있던 사람의 시간이 느려집니다. 즉 쌍둥이의 경우 상당한 나이차이가 발생하게 됩니다. 이로써 쌍둥이 역설은 풀리게 됩니다.