상대성 이론시간은 일상적으로 생각하는 것처럼 공간과 독립되어 있거나 분리되어 있지 않다.바로 시간과 공간은 어떤 상관관계가 있다는 것이다. 그의 특수상대성이론에 의하면 물리의 기초법칙들은 관측자의 위치나 움직임에 대해 변하지 않는다는 것을 가정했다.예를 들어 두 사람이 있는데 정지한 실험실에서 한 사람과 일정한 속력으로 일직선으로 움직이는 로켓이나 기차안의 실험실에 있는 또 다른 사람은 각자 각각의 실험실에서 똑같은 실험에 대한 결과는 같아야 한다는 말이다.사실 만약 기차나 로켓에 있는 실험실이 완벽한 방음장치와 외부를 볼 수 있는 창문이 없다면 그 실험실에 있는 자신이 움직이는지 안움직이는지 알지 못할 것이다.즉 등속으로 움직이는 사람이 정지한 사람의 실험과 결과가 일치하지 않는다면 아무리 창문이 없고 방음장치가 되어 있다고 하더라도 자신이 어떤 속도로 움직이고 있구나라고 추측할 수 있을 것이다.여기서 말하는 물리법칙은 제임스 맥스웰에 의해 발전된 전자기학의 법칙도 포함한다.맥스웰은 전자기파가 자연의 두개의 우주상수의 결합으로 주어진 속력으로 나아간다는 것을 발견했다.물리법칙은 위치나 움직임에 관계가 없이 일정하기 때문에 아인슈타인은 빛의 속력이 관측자 각자의 속력에 관계없이 일정하게 측정되어져야 한다는 것을 깨달았다.즉 우리가 일상적으로 생각하는 "관측자가 본 빛의 속력 = 빛의 속력 - 관측자의 속력"이 성립하지 않는다는 것을 의미한다.예를들어 한 관측자가 정지해 있는 관측자쪽으로 로켓을 타고 빛의 1/2배 속력으로 접근하고 있다고 가정하자. 임의의 지점에서 빛이 쬐어졌을때 두 관측자는 자신의 속력에 그 빛의 속력에 더함과 빼는 것 없이 일정한 빛의 속력을 관측하게 된다.이 가정은 현재 많은 실험들을 통해 증명되었다.이처럼 관측자의 움직임에 관계없이 각자의 관측자에게 빛의 속력 및 물리법칙이 어느 계에서나 똑같아지기 위해 아인슈타인은 정지한 계에 있는 관측자가 바라본 일정한 속력으로 움직이는 계의 관측자는 시간은 길어지고 길이는 짧아지며 질량이 더 커진 것으로 관측하게 되어야 한다는 특수상대성이론을 내세우게 된 것이다.아인슈타인은 측정한 시간, 길이, 질량은 선택된 좌표계에 대한 움직임에 관련된다는 것을 발견했다.모든 것은 움직이고 있다. 당신이 의자에 앉고 있지만 당신은 실제적으로 하루에 한번씩 지구의 자전축을 기준으로 빠르게 돌고 있다.지구도 태양주위를 공전하고 있다. 태양은 우리은하의 중심을 돌고 있고 우리은하는 은하군쪽으로 움직이고 있다.당신이 어떤 물체가 속도(Velocity)를 가지고 있다고 할 때, 그것은 어떤 좌표계를 기준으로 상대적인 위치변화를 측정하는 것이 된다. 모든 움직임은 선택된 좌표계에 대해 상대적이다."상대성(relativity)"이라는 단어는 아인슈타인의 상대성이론을 뜻한다.다른 관측자에 대해 상대적으로 움직이는 관측자는 자신의 좌표계에서 상대적으로 같은 시간과 같은 거리를 여행하는 빛을 관측하게 되는 것이다.각각 관측자가 사용하는 거리 단위인 meters 와 시간단위인 seconds는 서로 다르다.즉, 시간과 거리는 상대적인 양인 것이다. 특수상대성이론에서 두가지 결론은 첫째로 정지한 관측자는 빨리 움직이는 물체의 길이가 정지해 있는 물체의 길이보다 더 짧다는 것이고 둘째로 더 빨리 움직이는 물체의 시간간격은 정지한 물체에서의 시간간격보다 더 길다는 것이다.그러나 빠르게 움직이는 관측자는 물체가 그대로의 길이를 가지고 정상적인 시간이 흐를 것이다.또, 그의 밖에서 정지해 있는 관측자는 그 물체를 바라볼때 길이가 오그라들어 보이고 시간이 느려진 것처럼 보인다. 아주 빠른 속력으로 시간이 느려져 보이는 한 예로서 우주광선(Cosmic rays - 극도로 높은 에너지를 가진 입자들, 거의 양자들)이, 지구의 대기를 뚫고 들어올때를 생각할 수 있다.그 입자들중 매우 빨리 움직이는 뮤온(muon)입자는 지구대기의 매우 높은 곳에서 생성된다.뮤온입자는 그 수명이 굉장히 짧아 단지 200만분의 1초 정도 밖에 안된다.그 수명을 가지고는 뮤온의 속력으로 약 600m밖에 움직이지 못한다.그러나 뮤온입자는 100km이상을 여행하여 지구표면에 도달한다.이유는 뮤온입자가 빛의 속력에 매우 가까워져서 뮤온입자 자신의 시간을 정지해 있는 뮤온입자보다 더 길게 되었기 때문이다. 그러나 빨리 움직이는 뮤온입자 자신은 시간의 길어짐을 느끼지 못하고 정지해 있는 뮤온입자의 수명과 같은 200만분의 1초의 수명을 유지한 것처럼 느낀다.바로 특수상대성이론에 의해서 말이다.시간과 공간은 관측자의 움직임에 상대적이며 서로에게 독립적이지 않다.시간과 공간은 4차원적인 시공간(spacetime)으로 연결되어 있다.(3차원은 공간, 1차원은 시간) 이것은 이상한 것이 아니다. 우리는 종종 어떤 두점 사이에 빛이 여행하는데 가지는 시간에 대한 거리를 정의한다.예를 들어 1광년은 빛이 1년동안 간 거리이다. 한 사건을 말하기 위해 우리는 항상 어디서(공간), 언제(시간)으로 그 일어난 사건을 언급한다.그러므로 사건은 시공간에서 일어난다. 또 다른 특수상대성이론의 결론은 빛의 속력보다 더 빨리 갈 수 있는 것은 없다라는 것이다.빛의 속력으로 가깝게 움직이는 질량을 가진 물체는 그의 질량이 증가하는 것을 경험할 수 있다.그 질량은 빛의 속력에 더욱 가까워질수록 더욱 무거워져 빛에 속력에 다다르면 거의 무한대가 된다.그러므로 빛의 속력으로 움직이기 위해선 거의 무한대의 에너지가 필요한 셈이다.어떤 형태의 정보나 힘(중력포함)으로 낼 수 있는 가장 큰 속력은 빛의 속력이다.뉴턴의 중력법칙은 중력이 즉흥적으로 두 물체 사이에 변하는 것을 함축하고 있다.만약 물체가 뉴턴의 중력법칙에 의해 무한대의 속력으로 움직여 진다면 이것은 특수상대성이론에 빛의 속력을 능가하는 것은 없다는 것을 위반하게 되는 것이다. 이 세가지 특수상대성이론의 이상한 효과(시간이 길어짐. 길이가 짧아짐, 질량의 증가)는 단지 빛의 속력의 1/10 이상에서만 뚜렷하게 나타나기 시작한다.아주 큰 속력으로 내는 물체를 사용한 수많은 실험에서 특수상대성이론이 옳다는 것을 증명했다.특수상대성이론은 또한 물질이 에너지로 에너지가 물질로 변할 수 있다는 것을 예견한다.뉴턴의 제 2운동법칙으로부터 높은 속력으로 움직이는 물체의 에너지(운동에너지:Kinetic energy)는 에너지 = 질량 × 빛의속력2라는 사실을 알 수 있을 것이다.더 간결하게 표현하면 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc2가 된다.이 결과는 또한 어느 경우에 있던지 정지해 있는 물체에 적용이 된다. 이것은 그 물체의 "정지질량", "정지에너지"를 언급하는 것으로 에너지는 질량과 대응된다는 것이다.예를들어 천문학책처럼 작은 어떤 물체의 정지에너지 양은 엄청나다.만약 그 책의 모든 물질이 에너지로 변한다면 달에 백만톤의 에너지를 충분히 보낼 수 있을 정도가 된다.아인슈타인은 중력과 일정치 않은 운동을 포함하여 그의 특수상대성이론을 확장시켰다.아인슈타인은 두가지 방법으로 어떤 물체의 질량을 같은 값으로 측정할 수 있다는 사실에 매우 호기심을 가졌다.뉴턴의 제 2 운동법칙에서 물체의 질량은 어떤 힘에 대해 운동의 변화정도를 측정하여 결정된다(관성을 이용).또 뉴턴의 중력법칙에서 물체의 질량은 그것이 느끼는 중력이 얼마나 되는가 측정함으로 결정될 수도 있다.두 질량이 같다는 사실은 갈릴레오가 모든 물체는 같은 가속도를 가지고 떨어질 것이라는 것을 발견했던 이유이다.아인슈타인은 좀더 거시적으로 또 논리적으로 물체를 바라보는 천재적인 능력의 소지자였다.그는 두 엘리베이터를 실험도구로 제안했다. 하나는 지구표면에 정지해 있는 엘리베이터고 또 하나는 행성, 달, 또는 별과 같이 중력을 가지는 곳에서 멀리떨어져 지구의 중력가속도(9.8m/s2)와 같은 가속도로 위로 가속하는 엘리베이터이다. (현대는 엘리베이터 대신에 로켓을 사용할때가 종종 있다) 만약 지구에 정지해 있는 엘리베이터안에 공을 떨어뜨린다면 공은 바닥으로 9.8m/s2의 가속도를 가지고 바닥에 떨어질 것이다.한편 우주공간에 위로 가속하고 있는 엘리베이터안에서 놓은 공도 역시 9.8m/s2의 가속도를 가지고 바닥에 떨어질 것이다.두 엘리베이터 실험에서 같은 결과를 가져온 것이다! 위와 같은 사실을 등가원리(equivalence principe)이라고 하는데 아인슈타인은 이 사실을 공식화해서 일반상대성이론의 기초를 닦았다.이것은 "중력장에 있는 사람과 같은 일정한 가속도를 가지고 운동하는 사람이 어떤 상자에 갇혀있다면 그 사람은 자신이 중력장에 있는지 일정한 가속도를 가지고 운동하는지 알 방법이 없다"는 것을 진술한다.이와 같은 결론은 또 지구나 행성, 달, 별들로 부터 멀리떨어져 있는 엘리베이터 안에 있는 사람이 무게를 느끼지 못하는 것처럼 만약 엘리베이터가 중력때문에 지표면으로 자유낙하하고 있다면 그도 또한 무게를 느끼지 못할 것이다라는 것과 같다.중력장에서 자유낙하하는 사람과 우주공간 중력을 받지않은 곳에서의 사람은 자신이 어떤 틀 안에 같혀있다면 실제로 자신이 어느 것에 속하는지 알 방법이 없는 것이다.지금부터 엘리베이터밖에 정지해 있는 어떤 사람이 엘리베이터 밖에 벽에쪽으로 엘리베이터 지면과 수평방향으로 후레쉬빛을 쬐었다고 하자.만약 엘리베이터가 정지해 있다면 그때 엘리베이터 안에 있는 사람은 빛이 아래의 그림처럼 수평방향으로 여행한다는 것을 볼 수 있을 것이다.또 만약 엘리베이터가 밖에 있는 정지한 사람에 대해 등속도로 위로 움직이고 있다면 빛은 아래쪽으로 약간 각이 꺾여서 직선방향으로 여행할 것이다.만약 엘리베이터가 위로 가속한다면 빛은 상대적으로 구부러져 보일 것이다.그러나 빛이 가속하는 엘리베이터 안에서 구부러져 보인다면 그때 등가원리에 의해 빛은 중력장에서도 또한 구부러질 것이다라는 것을 추측할 수 있을 것이다.

어때 이제 다들 이해했지?