"시간과 공간의 절대성을 깨뜨리다"
1905년, 스위스 특허청의 무명 직원이던 알베르트 아인슈타인은 인류의 우주관을 송두리째 뒤집는 논문을 발표합니다. 아이짝 뉴턴 이래 300년 동안 과학계는 시간과 공간이 우주 어디서나, 누구에게나 똑같이 흐르는 절대적인 무대라고 믿었습니다. 하지만 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 통해, 시간과 공간은 관측자의 속도에 따라 고무줄처럼 늘어나거나 줄어들 수 있는 '상대적'인 것임을 증명했습니다. 우주에서 변하지 않는 유일한 기준은 오직 빛의 속도(초속 약 30만 km)뿐입니다. 빠르게 움직이는 물체에서는 시간이 천천히 흐르고, 길이는 짧아집니다.
이 짧고 우아한 공식은 질량(m)과 에너지(E)가 본질적으로 같은 것임을 보여줍니다. 빛의 속도(c)는 매우 큰 수이므로, 아주 작은 질량이라도 그 안에는 도시 하나를 날려버릴 만큼 막대한 에너지가 응축되어 있다는 뜻입니다. 이 원리는 태양이 46억 년 동안 타오르는 핵융합의 비밀을 풀었고, 안타깝게도 원자폭탄이라는 파괴적인 무기의 이론적 배경이 되기도 했습니다.
1915년, 아인슈타인은 가속도와 중력까지 포함한 일반 상대성 이론을 완성했습니다. 그는 중력이 뉴턴이 말한 것처럼 지구가 사과를 당기는 '보이지 않는 힘'이 아니라, 질량이 주변의 4차원 시공간을 휘게 만드는 기하학적 현상이라고 설명했습니다. 마치 푹신한 침대 위에 무거운 볼링공을 놓으면 주변이 움푹 파이는 것과 같습니다. 지구가 태양 주위를 도는 이유는 태양이 만들어놓은 시공간의 웅덩이를 따라 자연스럽게 굴러가기 때문입니다.
상대성 이론에 따르면 중력이 강한 곳일수록 시간은 느리게 흐릅니다. 영화 <인터스텔라>에서 주인공이 블랙홀 근처 행성에서 보낸 1시간이 지구의 7년과 같았던 이유가 바로 이 '시간 지연' 현상 때문입니다. 또한 쌍둥이 형이 우주선을 타고 광속에 가깝게 여행하고 돌아오면, 지구에 남은 동생은 노인이 되었는데 형은 여전히 젊은 상태인 '쌍둥이 역설'이 발생합니다. 이것은 공상이 아닌 실제 물리적 현상입니다.
2015년 인류는 블랙홀 충돌로 발생한 시공간의 물결인 '중력파'를 검출하며 아인슈타인의 마지막 예언을 증명했습니다. 이 이론은 먼 우주 이야기가 아닙니다. 여러분이 매일 쓰는 스마트폰 GPS는 빠르게 지구를 도는 위성의 속도(특수 상대성)와 약한 중력(일반 상대성)으로 인한 시간 오차(매일 38마이크로초)를 상대성 이론으로 보정하고 있습니다. 이 보정이 없다면 내비게이션은 하루에 10km 이상 위치가 틀어질 것입니다.