상대성 이론처럼 기존의 시간과 공간 개념에 충격을 가한 물리학적 이론은 없을 것이다. 상대성 이론은 공간과 시간, 물질과 에너지, 그리고 전기와 자기의 상호 관계를 연결시킨다. 상대성 이론의 결론은 마치 마술과 같아 보이지만, 이것은 두 개의 간단한 원리에서 시작하는 가장 단순한 수학으로 결론지어진다.
1905년 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론은 한 기준틀이 다른 기준틀에 대하여 상대적 등속 운동을 하는 경우에 대한 것이며, 특수 상대성 이론이 발표된 지 10년 후에 제안된 일반 상대성 이론은 등속 운동이 아니고 그 기준틀이 가속되는 경우에 대하여 취급한 이론이다. 특수 상대성 이론은 물리학의 모든 분야에 걸쳐 커다란 영향을 끼쳐 왔다. 여기서는 특수 상대성 이론에 대해 알아본다.
1. 기준틀
상대성 이론은 완전히 새로운 개념은 아니다. 그것은 갈릴레이로 거슬러 올라간다. 아리스토텔레스는 이미 힘이 지속적으로 물체에 작용할 때만 물체가 계속 움직이고 작용하지 않으면 멈추게 된다고 했다. 그러나 갈릴레이는 물체에 어떤 외부의 힘이 작용하지 않으면 그 물체는 일정한 속도를 유지한다고 함으로써 수세기 동안 이어온 아리스토텔레스의 생각을 부정하였다. 이 개념은 뉴턴의 제1법칙, 즉 관성 법칙이 기초가 되었다.
특수 상대성 이론은 뉴턴의 관성의 법칙이 성립하는 소위 관성 기준틀에서 관측되고 측정되는 사건들을 다루고 있다. 사건들은 관성 기준틀에서 관측되고 측정될 때 분석하기가 가장 쉬운데, 지구는 비록 완전하지는 않지만 관성 기준틀에 거의 가깝기 때문에 대부분의 경우 지구를 관성 기준틀로 간주할 수 있다. 한편 회전하거나 또는 가속되는 기준틀은 비관성 기준틀이라고 하며, 아인슈타인은 이런 복잡할 기준틀을 일반 상대성 이론에서 다루고 있다.
운동하는 물체를 볼 때 실제로 관측되는 것은 그 물체의 위치가 다른 물체들에 대해 변한다는 점이다. 기차 내에서 걸어가는 승객은 기차에 대해서 운동하고, 기차는 지구에 대해 운동하고 지구는 태양에 대해서 운동하고 태양은 은하에 대해 운동하고 등등이다. 각각의 경우 좌표축은 운동을 기술하는 주요 부분이다. 운동하는 물체에 대한 기준틀을 알고 있지 않는 한 그 물체가 운동하고 있다는 말은 무의미한 것이다.
그런데 어디에서나 사용될 수 있는 보편적인 기준틀은 존재하지 않는다. 우리에 애해 등속으로 위치가 변화하고 있는 어떤 물체를 목격했다 하더라도 그 물체가 운동하고 있는지 아니면 우리가 등속으로 움직이고 있는지 아닌지를 알 수 있는 방법이 없다. 만일 우리가 우주로부터 고립되어 있다면 우리가 등속으로 움직이고 있는지 또는 아닌지를 알 수 없다. 이처럼 모든 운동은 관측자에 대해 상대적이고 절대적인 운동이랑 있을 수 없다.
어떤 관성 기준틀에 대해서 등속도로 운동하는 기준틀 역시 관성 기준틀이 되는데, 그 이유는 그 기준틀에서도 역시 뉴턴의 법칙이 성립하기 때문이다. 우리가 어떤 기준틀에서 관측하거나 측정한다고 하는 것은 우리가 바로 그 기준틀에 정지해 있다는 것을 뜻한다.
상대성 이론은 보편적 기준틀이 없어서 생기는 결과들을 다룬다. 1905년 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론은 서로 등속 운동하는 기준틀 사이에서 나타나는 문제를 다룬다. 특수 상대성 이론은 모든 물리 분야에 영향을 미치게 된다.
2. 특수 상대성 원리
특수 상대성 이론은 상대성 원리와 광속 불변의 원리를 두 기둥으로 하여 성립하고 있다. 물론 이 원리들은 실험을 통해 그 타당성이 입증되었을 뿐만 아니라 그 결론들에 대해서도 그 타당성이 확인되었다.
[상대성 원리] 물리학의 법칙들은 서로 등속 운동 관계에 있는 모든 기준틀에서 동일하다.
이 원리는 절대 기준틀이 없다는 데에 귀결되며 자연을 극히 적은 수의 법칙으로 이해하는 것을 보장하는 극히 자연스러운 원리이다. 물리학 법칙들이 상대 운동을 하는 관측자들에게 다르게 나타난다면 관측자들은 그 차이로부터 누가 우주에서 정지상태에 있고 누가 운동하고 있는지를 알 수 있다. 그러나 이러한 차이는 자연에서 존재하지 않는데 상대성 원리는 이것을 표현하고 있는 것이다.
예를 들어 등속으로 상승하고 있는 엘리베이터 안에서 이루어지고 있는 실험은 엘리베이터가 정지하고 있을 때 하는 실험이나 등속으로 하강하고 있을 때 하는 실험과 동일한 결과에 도달해야 한다는 것이다.
