광속 불변 원리

달리는 버스 뒷자리에서 앞자리 친구에게 공을 던진다고 생각해 볼게요. 버스 안에 함께 탄 친구가 보기에 공은 평범한 속도로 날아와요. 그런데 창밖에서 이 장면을 본 사람은 다르게 느껴요.

밖에서 보면 공은 버스가 달리는 속도까지 얹어서 날아가거든요. 버스가 빠를수록 공도 더 빨라 보여요. 우리가 사는 세상에서 속도는 이렇게 더하고 빼면 맞아떨어져요.

자전거로 친구를 따라잡을 때도 그래요. 친구와 나란히 같은 속도로 달리면 친구는 멈춰 있는 것처럼 보여요. 누가 어떤 속도로 움직이느냐에 따라 같은 물체의 속도가 다르게 보이는 거예요.

그래서 속도를 잴 때는 늘 누가 보고 있는지를 함께 따져요. 이 덧셈 규칙은 공이든 자동차든 잘 들어맞아요. 그런데 딱 하나, 이 규칙을 따르지 않는 것이 있어요.

이번에는 같은 버스에서 공 대신 손전등을 앞으로 비춰 볼게요. 앞의 규칙대로라면 빛도 버스의 속도만큼 더 빨라져야 해요. 그런데 실제로 재 보면 그런 일이 일어나지 않아요.

버스 안에서 재든 창밖에 서서 재든 그 빛의 속도는 같은 값으로 나와요. 빛을 향해 마주 달려가도, 빛을 등지고 도망가도 결과가 바뀌지 않아요. 공에 통하던 덧셈이 빛 앞에서는 멈춰 서는 셈이에요.

빛의 속도는 진공에서 초속 약 30만 킬로미터예요. 1초 동안 지구를 일곱 바퀴 반쯤 돌 만큼 빠른 값이죠. 이 값은 재는 사람이 얼마나 빠르게 움직이든 같은 숫자로 나와요.

처음에는 재는 장치가 잘못됐다고 여긴 사람도 많았어요. 하지만 방법을 바꿔 몇 번을 다시 재도 결과는 그대로였어요. 결국 빛의 속도가 특별하다는 쪽을 받아들이게 됐어요.

여기서 이상한 점이 생겨요. 속도는 간 거리를 걸린 시간으로 나눈 값이잖아요. 속도가 변하지 않으려면 대신 무엇인가가 변해야 해요.

답은 우리가 변하지 않는다고 믿었던 시간과 길이예요. 버스에 탄 사람과 길가에 선 사람의 시계는 서로 조금씩 다르게 흘러요. 빛의 속도를 지키려고 시간과 길이가 대신 늘고 줄어드는 거예요.

다만 이 원리는 진공을 지나는 빛에 대한 이야기예요. 물이나 유리를 지날 때 빛은 이보다 느리게 나아가요. 그리고 버스 정도의 속도에서는 시간이 달라지는 정도가 너무 작아서 우리 눈에 잡히지 않아요.

그래서 일상에서는 던진 공처럼 속도를 더하고 빼도 괜찮아요. 빛에 가까울 만큼 빨라졌을 때에야 이 이야기가 눈앞에 드러나기 시작해요.