2번 광속 불변의 법칙은 우리 상식을 깨는 관측결과이다. 일반적인 상황과 비교해보면, 이 가설이 얼마나 이상한지 금세 알 수 있다. 기차가 20m/s라는 속도로 기차역에 들어오고 있다고 하자. 그런데 기차 안에서 있던 한 사람이 기차역을 향해 1m/s라는 속도로 걷기 시작했다. 역 위에서 관찰한 그의 속도는 얼마일까? 정답은 기차와 그가 걷는 속도를 더한 21 m/s이다. 자 이제 다른 문제를 내보자. 기차가 정차했다면 이 기차의 헤드라이트에서 나오는 빛의 속도는 얼마일까? 정답은 빛의 속도인, 약 300,000,000m/s이다(만일 기차 주변이 진공이라면, 정확히 300,000,000m/s이다). 그런데 이 기차가 20 m/sec 속도로 기차역을 향해 달려오고 있다고 하자. 그럼 이때 기차역에서 관찰한 헤드라이트의 빛의 속도는 얼마일까?
우리는 쉽게 빛의 속도에 기차의 속도를 더하면 될 것이라 생각한다. 그런데 답은 300,000,020m/s가 아닌 300,000,000m/s다. 움직이는 기차에서 나온 빛의 속도는 멈추어진 기차에서 나오는 빛의 속도와 똑 같다. 도대체 무슨 조화란 말인가! 알다시피 속도란 거리를 시간으로 나눈 것이다. 빛의 속도가 일정한 상수가 되려면 시간과 거리는 상황에 따라 변하는 변수가 되어야 한다. 요컨대, 우리가 불변하고 절대적이라고 생각했던 시간과 거리는 관찰자의 운동에 따라 달라진다. 이것이 바로 특수상대성 이론이다. 특수상대성 이론을 요약하면 빠른 속도로 등속운동을 하면 시간은 느려지고 거리는 짧아지고 질량은 늘어난다. 갈릴레오의 ‘가정’과는 다른 결과이다. |