쌍둥이 역학

■ 쌍둥이 역학 태양계에 속한 생성들 중에서 지구로부터 가장 먼 명왕성이나 해왕성까지의 거리는 약 30AU 정도로 광속으로 달리면 대략 4시간 정도 걸린다. 그렇지만 행성이 아니라 태양에서 가장 가까운 별까지의 거리도 수만 광년 정도이다. 따라서 특수상대성 이론이 나오지 않았다면 우주여행을 하는 것은 엄두를 내지 못하였을 것이다. 그러나 광속에 근접한 빠른 우주선을 타고 가면 시간이 느리게 가므로 아무리 먼 곳의 별이라도 방문할 수 있는 희망을 갖게 되었다. 그런데 이런 우주여행에 대해 고려하면서 자연스럽게 특수상대성 이론자체에서 풀리지 않는 의문이 대두되었다. 이것을 쌍둥이 역설이라고 한다. 예를 들어 지구로부터 20광년 떨어진 곳의 별을 우주선으로 방문하고 돌아온다고 하자. 문제를 재미있게 하기 위하여 쌍둥이인 영수와 철수 중 영수만 우주여행을 떠나고 철수는 지구에 남아있다고 하자. 영수는 20번째 생일날 γ=10인 등속도 운동을 하는 우주선을 별까지 간 다음 바로 역시 γ=10인 등속도 운동을 하는 우주선을 이용하여 지구로 돌아왔다고 하자. 영수가 별에 도착했을 때 철수가 본 영수의 시계는 2년이 흘렀지만 철수 자신이 시계는 20년이 흘러 있다. 그리고 영수가 다시 지구에 돌아왔을 때 철수가 본 영수의 시계는 모두 4년이 흘렀지만 철수 자신의 시계는 40년이 흘러있다. 즉 영수가 우주여행을 마치고 돌아오면, 철수생각에 영수는 아직 24세의 청년이지만 철수 자신은 80세의 노인인 것이다. 그러나 철수가 보기에 영수는 청년이고 자신은 노인이라는 것이 역설은 아니다. 그것은 특수 상대성 이론의 당연한 결과일 뿐이다. 그런데, 이번에는 영수의 관점에서 보자.(영수가 정지해 있는 기준계에서 보자는 의미임) 그러면 영수는 정지해 있고, 철수가 있는 지구가 γ=10인 등속도 운동을 하면서 20광년이 떨어진 곳까지 갔다가 다시 돌아온다.