1-3. 좌표계와 기준틀

기차 안에서 공을 위로 던지면, 공은 어디로 갈까?

시속 300km로 달리는 KTX 안에서 당신이 공을 위로 던졌다고 하자.

기차 안의 당신이 볼 때, 공은 수직으로 올라갔다가 손으로 되돌아온다. 아무 일도 없다. 일상적인 캐치볼이다.

그런데 기차 밖에 서서 창문을 통해 이 장면을 관찰하는 사람에게는 전혀 다른 광경이 펼쳐진다. 그 사람의 눈에는 공이 포물선을 그린다! 왜? 공이 수직으로 올라가는 동안에도 기차와 함께 시속 300km로 수평 이동하고 있기 때문이다. 기차 밖의 관찰자가 보기에, 공은 위로 올라가면서 동시에 옆으로 움직이고 있다 — 바로 이전 절에서 배운 투사체 운동이다!

같은 공, 같은 순간, 같은 물리적 사건인데, 보는 사람에 따라 궤적이 완전히 다르다. 한 사람에게는 직선이고, 다른 사람에게는 포물선이다.

이것은 착각이 아니다. 두 사람 모두 틀리지 않았다. 그렇다면 물어야 한다:

"진짜" 운동이란 무엇인가? 물체의 운동을 기술할 때, "누구의 입장에서"가 왜 이렇게 중요한가?

이 질문은 단순해 보이지만, 물리학의 가장 깊은 곳까지 닿아 있다. 이 질문을 진지하게 파고든 결과가 바로 갈릴레이의 상대성 원리이고, 그 끝에 아인슈타인의 특수상대론이 있다. 지금 이 절에서 우리는 그 여정의 첫 걸음을 내딛는다.