‘공간+시간=시공간’? 마치 무슨 수학 공식과도 같은 이 관계는 아인슈타인의 상대성이론에서 가장 중요한 핵심 개념들 가운데 하나다. ‘시공간’의 상대성은 곧 ‘공간’의 상대성과 ‘시간’의 상대성이 합쳐진 개념이다.

상대적 거리란 떨어져 있는 두 사람, 예컨대 철수와 영희 사이의 거리를 가리킨다. 상대적 속도란 철수와 영희 사이의 상대적 거리가 달라지는 변화율을 뜻한다. 다른 말로, 두 사람의 빠르기 차이, 곧 한 사람의 속도에서 다른 사람의 속도를 뺀 것과도 같다.

상대성이론에서는 이런 상대 속도를 지니고 움직이는 두 사람 사이에 벌어지는 상황을 설정하고 말한다. 서로 다른 상대 속도로 움직이는 두 사람이 바라보는 세상을 설명하자는 것이다. 두 사람은 같은 하나의 세상을 각각 다르게 볼 것이며, 다르게 보는 것들 사이에 있는 관계가 상대성이론이다.

아인슈타인이 특수 상대성이론을 발표한 1905년 이전까지, 과학자들은 공간의 상대성만 인정하고 있었다. 이들이 말하는 공간의 상대성이란 서로 다른 속도로 움직이는 두 사람이 어떤 한 장소에 대해 그 위치를 다르게 측정하게 됨을 뜻한다. 물론 기준점은 같지만, 속도 차이 때문에 두 사람의 공간에 대한 개념은 상대적일 수밖에 없다. 예를 들어 비행기를 탄 사람과 걸어가는 사람에게 남산~시청의 거리는 속도 차이로 의한 이동거리 만큼 분명히 달라 보인다.

그러나 아인슈타인은 여기에 시간의 상대성까지 도입한 것이다. 공간만으로는 부족하다고 생각했는지 시간까지도 서로 다르게 움직이는 두 사람에게는 상대적인 양으로 간주했던 것이다. 예를 들어 다른 속도로 움직이는 두 사람이 측정하는 1초의 길이는 미세하게 다르다. 어떤 사람이 1초라고 측정한 동안에 다른 사람에게 그 같은 시간은 1초보다 길어지거나 짧게 측정된다. 일반적으로 그 차이는 극히 작지만 두 사람 사이의 상대 속도가 클수록 그 효과는 크다. 만일, 빛 속도의 60% 빠르기로 로켓을 타고 날아가는 사람이 0.8초마다 정보를 보내면 지구에 있는 사람은 그 정보를 1초마다 받게 된다.

따라서 시간마저도 상대적인 양이 돼버린 상대성이론에서는 공간과 시간이 서로 따로 존재하는 게 아니라 함께 뒤섞여 구별하기는 불가능해진다. 그래서 3차원 공간에다 시간의 차원을 묶은 4차원의 ‘시공간’(spacetime)이라는 개념이 도입되었다.

김성원 이화여대 교수·과학교육과 sungwon@ewha.ac.kr