학문

상대성 이론이 밝혀낸 시간과 공간의 상대적 성질

본문: 알베르트 아인슈타인의 특수 및 일반 상대성 이론에 따르면 시간과 공간은 절대적인 것이 아니라 관측자의 운동 상태나 중력장에 따라 다르게 변한다고 합니다. 이러한 현상이 일상생활에서는 왜 체감되지 않는지와 그 물리적 배경을 설명해 주세요.

1개의 답변이 있어요!

  • 안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

    체감되지 않는 건 효과의 크기가 속도와 중력의 비율로 정해지는데, 우리 일상이 그 기준에서 너무 작은 영역에 있어서예요.

    특수상대성이론 쪽을 보면 시간지연은 속도를 광속으로 나눈 값의 제곱에 좌우돼요. 시속 100km로 달리는 차는 광속의 1000만분의 1 수준이라, 제곱하면 효과가 10조분의 1로 줄어요. 평생 차를 타도 시간 차이가 나노초 단위예요. 광속의 10%쯤 되어야 0.5% 정도 차이가 나는데, 인류가 만든 가장 빠른 우주선도 광속의 0.06%에 못 미쳐요.

    일반상대성이론 쪽도 마찬가지예요. 중력 시간지연은 그 위치의 중력 퍼텐셜을 광속의 제곱으로 나눈 값에 비례해요. 광속의 제곱이 9 곱하기 10의 16제곱이라는 거대한 숫자라, 지구 중력 정도는 나누고 나면 10억분의 1 수준이 돼요. 실제로 지표면과 고층 건물 옥상의 시간 차이는 1년에 나노초 몇 개예요. 사람 감각으로는 절대 잡을 수 없는 값이죠.

    그런데 정밀 측정에서는 확실히 드러나요. 1971년 원자시계를 비행기에 태워 지구를 돈 실험에서 이론값만큼 어긋났고, GPS 위성은 하루 38마이크로초 차이를 매일 보정해야 위치가 맞아요. 광속의 99.9%로 날아오는 뮤온은 수명이 수십 배 늘어나 지표면까지 도달하고, 요즘은 원자시계를 30cm 높이 차이로 옮겨도 시간 차이를 측정할 수 있어요.

    그러니까 상대성이론이 일상과 무관한 게 아니라, 우리 감각의 분해능이 그 차이를 잡기에 턱없이 거칠다고 보는 게 정확해요. :)