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지금껏 시간이 일정하다고 생각했나? 하지만 시간은 고정 상태가 아니야. 상황과 환경에 따라 시시각각 바뀌지. 그게 바로 상대성 이론의 핵심이야. 1905년 발표한 특수 상대성 이론과, 1915년 발표한 일반 상대성 이론의 내용이라네.

빠르고 무거울수록 느려지는 시간

상대성 이론을 활용하면 현실에서도 영화처럼 시간 여행이 가능합니다. 2014년 개봉한 SF 영화 <;인터스텔라>;에서 주인공이 어린 딸을 지구에 두고 우주 탐사를 하고 돌아왔더니 할머니가 된 딸과 재회하는 장면이 나와요. 이는 주인공이 우주선을 타고 우주를 여행하며 지구에 있던 딸보다 훨씬 빠르게 움직이고, 중력이 강한 블랙홀 주변을 탐사하며 시간이 느려졌기 때문이에요. 즉, 우주 여행자의 시간이 지구에 머물러 있는 사람의 시간보다 훨씬 느리게 간 탓에 둘의 시간이 벌어져 우주 여행자가 미래의 지구로 온 셈이죠.

1905년, 아인슈타인은 ‘상대성 이론’을 제시하면서 시간은 관측자의 상황에 따라 변한다고 주장했어요. 아인슈타인은 먼저 ‘움직이는 물체의 시간은 느리게 간다’고 발표했어요. 멈춰 있는 사람이 측정한 시간과 빠르게 움직이는 사람이 측정한 시간이 다르다는 뜻이에요. 이를 ‘특수 상대성 이론’이라고 합니다. 따라서 가만히 서 있는 사람과 기차를 타고 빠르게 움직이는 사람이 시간을 측정하면 차이가 발생해요. 하지만 평소 우리가 둘의 시간 차이를 느끼지 못하는 이유는 너무 미세한 차이라서 그래요. 초속 30만km인 빛의 속도 가까이 가야 차이를 느낄 정도로 시간이 많이 벌어지기 때문입니다.

아인슈타인은 또한 시간과 공간이 하나로 얽혀 있다고 주장했어요. 둘을 합쳐 시공간이라고 했지요. 시공간은 중력에 영향을 받는데, 중력이 큰 천체 주변의 시공간은 볼링공이 놓인 물침대처럼 가운데가 푹 가라앉아요. 강한 중력이 주변 시공간을 가운데로 휘게 하는 거죠. 이에 따라 중력이 강한 곳의 시간은 약한 곳에 비해 느려집니다. 이는 아인슈타인이 1915년 발표한 ‘일반 상대성 이론’의 내용이지요.

상대성 이론은 실험을 통해 입증되고 있어요. 1976년, 미국항공우주국(NASA)은 중력이 클수록 시간이 느려지는지 확인하기 위해 지구 1만km 상공에 위치한 위성과 지구의 시계를 비교했어요. 지구에서 멀어진 위성 속 시계가 지구의 시계보다 중력의 영향을 덜 받는다는 점을 이용한 거죠. 실험 결과, 위성에서는 73년마다 1초가 더 빠르게 가는 것으로 밝혀졌어요. 2022년 2월에는 미국 표준기술연구소가 스트론튬 입자를 사용해 미세한 중력 차이로도 시간 지연이 일어난다는 사실을 보였어요. 불과 1mm의 높이차에서 발생하는 아주 작은 중력 차이로도 시간이 느려짐을 입증한 거죠.