쌍둥이 역설 소개
이 주제는 상대성이론의 기본적인 내용을 알고 있다는 전제 하에 진행된다.
A와 B는 쌍둥이이다. B는 자라서 우주 비행사가 되었는데 어느 날 B는 매우 빠른 속도로 우주 비행선을 타고 임무를 나가게 되었다.
A의 관점
A는 지구에 있고 B는 우주선을 타고 있는 상황이다. 따라서 A가 느끼기에는 자신은 가만히 정지해있고 B가 빠른 속도로 움직이고 있으므로 B의 시간이 느리게 가는 것처럼 보일 것이다. B가 슬로우 모션으로 움직이는 것처럼 보이는 것은 당연하며, B가 차고 있는 시계, 맥박, 생체리듬 등 B와 관련된 모든 것이 느리게 보인다. B의 시간이 A보다 더 느리게 흐르는 것이므로 이후 B가 지구에 돌아온다면 A보다 B가 더 젊어질 것이다. 예를 들어 출발할 때에는 A와 B 모두 30살이라고 가정한다면 B가 도착할 때에는 A는 40살, B는 35살인 상황이다.
B의 관점
모든 운동은 상대적이다. B는 우주선에 타고 있지만 B가 느끼기에는 자신은 가만히 정지해있고 지구와 A가 빠른 속도로 움직이고 있으므로 A의 시간이 느리게 가는 것처럼 보일 것이다. A의 시간이 B보다 더 느리게 흐르는 상황이므로 이후 B가 지구에 돌아온다면 B보다 A가 더 젊어질 것이다. 앞과 마찬가지로 출발할 때에는 A와 B 모두 30살이라고 가정한다면 B가 도착할 때에는 A는 35살, B는 40살인 상황이다.
상대성이론이 틀렸다
이게 상식적으로 말이 되는 상황인가?
분명 같은 사건이 발생하였는데 두 개의 다른 결과가 나온 것이다. 이것은 분명한 모순이므로 상대성이론의 시간이 늦게 간다는 주장은 결국 거짓이 된다. 대칭성에 의해 어느 상황에서나 두 사람의 나이는 무조건 같아야 한다.
쌍둥이 역설의 해법
상식적으로는 이해가 되지 않는 이야기를 듣고, 위의 '상대성이론이 틀렸다!' 의 주장을 들으니 정말 상대성이론이 틀린것처럼 보이며 혼란스럽게 느껴진다.
B가 지구에서 출발한 후 다시 돌아오려면 어느 지점에서 무조건 U턴을 해야 한다. U턴을 한다는 것은 우주선의 속도가 변하는 가속 운동을 한다는 뜻이다. 우주선이 가속 운동 하여 운동 상태가 변하면 관성에 의하여 B는 몸이 쏠리며 가속을 느낄 수 있을 것 이다. 반면 지구에 있는 A는 아무런 힘을 느끼지 못한다. 따라서 B의 시간이 더 느리게 흐르며 A보다 B가 젊어지게 된다.
결국 정답은 "두 사람 중 가속도를 느낀 사람이 더 젊다" 이다.