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아인슈타인은 1905년 특수 상대성 이론과 1915년 일반 상대선 이론을 각각 발표했다. 상대성 이론에 대해 정확히 이해하기 위해서는 사간에 대한 고정관념을 바꿔야 한다. 

기본적으로 우리는 시간의 흐름이 과거에서 현재로, 현재에서 미래로 일정하게 흘러가고 있다고 생각하고 있다. 즉 우주에서 벌어지는 모든 현상은 시간의 흐름 속에서 순차적으로 발생한다고 생각하고 있는 것이다. 따라서 우주에서 아무런 일이 일어나지 않아도 시간은 지금처럼 그대로 흘러갈 것이라고 생각한다. 이렇게 항상 일정하게 흘러가는 시간을 절대시간이라고 한다.

그러나 아인슈타인의 상대성 이론에서는 시간도 다른 물리량과 마찬가지로 절대적인 것이 아니라 측정하는 기준에 따라 달라지는 상대적인 것으로 간주한다. 특수 상대성 이론에 따르면 모든 관성계에서 동일한 물리법칙이 성립하고, 빛의 속도가 항상 같은 값을 가지기 위해서는 관성계에 따라 물리량들이 변화하여야 하고, 시간도 여기에 포함된다.

상대성 이론에서 시간이라는 의미에 대해 파악하기 위해서는 동시성에 대한 이해가 필요하다. 달리고 있는 기차가 있다고 가정하고, 한 사람은 기차의 중간에 타서 달리고 있고 다른 한 사람은 기찻길 옆에 앉아있다고 가정해보자. 길가에 앉아 있는 사람이 기차의 중간에 오는 순간 기차의 앞과 뒤에 번개가 쳤고, 기차에 타고 있는 사람과 길가에 앉아 있는 사람 모두 번개를 관측했다.

번개를 관측하기 위해서는 번개의 불빛이 관측자에게 도달해야 한다. 길가에 앉은 사람 입장에서는 기차 앞뒤에서 오는 불빛이 도달하는데 소요되는 시간이 같다. 그러나 기차가 앞으로 달리고 있으므로 기차 안에 탄 사람 입장에서는 앞쪽에서 오는 빛이 뒤쪽에서 오는 불빛보다 먼저 도달한다. 따라서 길가에 앉은 사람이 번개가 동시에 쳤다가 관측했다하더라도, 기차 안에 있는 사람은 앞쪽의 번개가 먼저 쳤다고 얘기할 것이다.

두사람은 각각 다른 관성계에서 관측을 한 차이만 존재할 뿐 관측에는 아무런 오류가 없다. 따라서 두 사람의 다른 관측값 모두 사실로 인정할 수 밖에 없다. 이것은 모든 관성계에 공통으로 적용되는 "동시성은 존재하지 않는다" 는 것을 뜻하며, 절대 시간은 존재할 수 없다는 것이다.

일상생활에서 우리가 일반적으로 경험하는 속도는 빛의 속도에 비해 상당히 느려 시간의 지연을 직접 경험할 수 는 없다. 그러나 입자 가속기와 같이 빠른 속도로 달리는 입자를 다루는 특수장비에서는 이러한 부분을 고려하지 않으면 제대로 작동하지 않는 다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다. 시간의 지연은 일반 상대성 이론에서도 등장하는데, 일반 상대성 이론에 의하면 강한 중력정을 통과하는 경우 즉 크 가속도로 운동하는 관성계에서는 시간이 천천히 간다.

중력에 의한 시간 지연은 GPS를 통한 실험으로 입증된 바가 있는데, GPS는 지구 주위를 돌고 있는 위성에서 수신된 신호를 분석하여 현재 위치를 계산해낸다. 위성은 고고도에서 빠른 속도로 지구 주위를 돌고 있기 때문에 위성과 지구 사이에서 상대성 이론에 의한 시간지연 효과가 나타난다. 따라서 정확한 위치를 계산하기 위해서는 이러한 상대성 이론에 대한 부분을 고려하는 것이 필수적이다.

시간의 상대성을 다룰 때 자주 등장하는 쌍둥이 역설은 쌍둥이 형이 우주여행을 떠났고, 동생은 지구에 남아있다는 가정을 전제로 시작한다. 쌍둥이 형을 실은 우주선은 지구를 출발함과 동시에 빠른속도로 가속하여 빛의 80% 수준의 속도로 이동하기 시작했고, 목적지에 도착한 후 다시 지구를 향해 같은 속도로 달리고 있다. 지구 가까이에 도달해서는 다시 속도를 줄여 지구에 착륙했다. 

이럴 경우 쌍둥이 중 누가 더 나이를 먹었을까?

지구에 남아 있는 쌍둥이 동생의 시계로 측정했을 때 쌍둥이 형이 별나라까지 도달하는데 12.5년이 소요되고 다시 돌아오는데도 12.5년이 걸린다고 가정하면 지구에 있는 동생은 25살의 나이를 먹게된다. 그러나 지구의 쌍둥이 동생이 쌍둥이 형의 시계를 관측하면 시계가 천천히 가기 때문에 형은 15살을 먹게된다. 

그러나 쌍둥이 형의 입장에서는 완전히 다른 결과가 나온다. 자신이 여행하고 있는 거리는 10광년이 아니고, 특수 상대성 이론을 적용하면 형의 입장에서 별나라까지의 거리는 10광년이 아닌 6광년이 된다 이 거리를 왕복하는데 걸리는 시간은 15년이다.

그런데 여행을 하고 있는 형의 입장에서의 동생은 뒤로 달리고 있으므로 지구의 시계는 천천히 간다. 따라서 여행하는 형의 시계가 15년을 가는 동안 지구의 시계는 9년을 간 것으로 관측된다. 바꿔 말하면 형 자신은 15살의 나이를 먹었으나, 동생은 9살 먹은 것으로 관측된다는 것이다.

특수 상대성 이론에 의하면 두 사람의 관측값 모두 사실이라고 할 수 있으며, 이 때문에 이를 쌍둥이의 역설이라고 부른다.