시간 지연

달리는 고속열차 안에서 천장을 향해 레이저 빛을 쏘아 올린다고 상상해 보세요.

열차 안에 탄 사람 눈에는 빛이 천장까지 위아래로 곧게 수직으로 오르내리는 것처럼 보여요. 하지만 승강장에 서서 지나가는 열차를 바라보는 사람 눈에는 빛이 열차의 이동 방향을 따라 대각선으로 비스듬히 움직이는 것처럼 보여요.

여기서 우주의 절대 규칙이 등장해요. 빛은 누가 보든 언제나 똑같은 속도(초속 약 30만 킬로미터)로만 움직여요. 승강장의 관찰자가 볼 때 빛은 더 긴 대각선 경로를 지나가야 하는데, 빛의 속도는 빨라질 수 없어요. 결국 거리가 늘어난 만큼 그 안에서 흐르는 시간 자체가 더 길게 늘어나는 수밖에 없는 거예요.

결과적으로 승강장에 서 있는 사람이 보기에, 빠르게 달리는 열차 속의 시계는 자기 시계보다 째깍거리는 간격이 늘어나면서 시간이 더 느리게 흘러가요.

무거운 볼링공을 팽팽한 고무 매트 위에 올려놓으면 매트가 깊게 푹 꺼지는 모습을 본 적이 있을 거예요.

아인슈타인은 질량을 가진 물체가 주변의 공간뿐만 아니라 시간까지도 함께 휘어지게 만든다고 설명했어요. 중력이 아주 강한 천체 주변은 시공간의 그물망이 팽팽하게 잡아당겨진 상태와 같아요.

이렇게 무거운 천체에 가까워 중력의 우물 깊숙한 곳일수록 빛이나 물체뿐만 아니라 시간의 흐름 자체도 아래로 끌려 내려가듯 느려지게 돼요. 영화 《인터스텔라》에서 블랙홀 근처의 행성에 다녀온 주인공은 몇 시간만 머물렀지만, 지구에서는 20년이 넘는(약 23년) 세월이 흘러버린 것도 바로 이 거대한 중력 때문에 생긴 시간 지연 때문이에요.

따라서 지구 중력의 우물 더 깊은 곳(지표면)에 있을수록 높은 산꼭대기나 우주 공간보다 시간이 미세하게 더 느리게 흘러가요.

흔히 빠르게 날아가는 우주선에 타면 몸동작이나 시계 바늘이 슬로모션처럼 느려져 답답할 거라고 생각하기 쉬워요.

하지만 정작 우주선 안에 탄 본인은 아무런 변화도 느끼지 못해요. 심장 박동도 평소 빠르기 그대로이고, 시계 바늘도 평소와 똑같이 1초에 한 칸씩 움직여요. 시간 지연은 항상 서로 다른 두 관찰자가 비교할 때만 나타나는 상대적인 차이예요.

실제로 우리 머리 위를 도는 인공위성(GPS)은 시속 1만 4천 킬로미터로 빠르게 날아가면서 시간이 느려지는 효과와, 지구와 멀어져 중력이 약해져 시간이 빨라지는 효과를 동시에 겪어요. 두 효과를 합치면 위성 시계는 하루에 약 38마이크로초씩 빨라지기 때문에, 위성 시계는 발사 전부터 그만큼 느리게 가도록 맞춰 두고 남는 오차도 꾸준히 보정해요. 이 상대성 이론의 시간 지연 보정이 없다면 스마트폰 내비게이션은 하루 만에 10킬로미터 넘게 길을 잃고 말 거예요.