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아인슈타인은 이렇게 알아냈구나!

아인슈타인의 상대성 이론은 알기 쉽게 설명하는「아인슈타인의 생각실험실」시리즈 제 1권 『빛을 쫓아 특수상대성이론에 이르다』. 아인슈타인은 어릴 때부터 상상을 즐겨 했고, 결국 이미지 상상을 통해 특수상대성이론을 만들어냈다. 이 책은 상상이라는 단 하나의 도구를 이용해서 아인슈타인이 어떤 사유 과정을 거쳐서 상대성 이론이라고 하는 업적을 이루어 냈는가를 살펴본다. 아인슈타인이 참고했던 과학 이론 및 과학자들까지 포함한 그의 창조적 사고를 추적하여 상대성 이론을 탄생시킨 실험의 과정을 우리가 직접 체험할 수 있도록 돕는다. 또한 이해를 돕는 그림들을 제공하며, 부록에 특수상대성이론에서 사용되는 여러 계산법 및 공식을 소개했다.

‘상대성’이란 ‘절대성’의 반대이다. 따라서 상대성이론이란 간단히 말해 “시간과 공간은 절대적인 것이 아니며, 관측하는 입장에 따라 바뀐다.”는 것을 명확히 한 이론이다. 특수상대성이론에 따르면, 광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선 안에서는 시간의 흐름이 느려진다. 달 표면에 있는 사람이 보면, 우주선 안의 시간이 천천히 흘러간다. 그렇다면 우주선 안에 있는 사람은 시간이 천천히 흐르는 것을 실감할까? 그렇지 않다. 시간이 느려진다는 것은 사람의 동작에서부터 원자 하나하나의 움직임에 이르기까지 모든 것의 속도가 느려짐을 뜻하기 때문이다. 즉 우주선 안에 있는 사람에게는 아무런 변화도 없다. 시간의 흐름이 느려지고 빨라지는 것은 다른 입장에 있는 사람과 비교했을 때만 의미를 가진다.
불가사의한 현상은 또 있다. 광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선과 정지해 있는 우주선의 길이는 원래 같다. 그러나 날아가고 있는 우주선은 길이가 줄어든다. 광속에 가까운 속도로 날아가는 물체는 길이가 줄어든다. 즉, 시간이 느려지는 예와 마찬가지로 물체의 길이도 ‘상대적’이다. 또 하나 중요한 특수상대성이론의 효과가 있다. 그것은 광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선의 질량이 커진다는 사실이다.
이처럼 1권 ‘빛을 쫓아 특수상대성이론에 이르다’에서는 아인슈타인의 창조적 사고를 중심축으로 놓고, 이론화하는 과정에서 참고했던 과학 이론과 과학자를 주변축으로 삼아 아인슈타인의 생각의 실타래를 놓치지 않는 데 중점을 두었다. 또한 이해를 돕는 그림들이 수록되어 있으며, 부록에 특수상대성이론에서 사용되는 여러 계산법 및 공식을 소개했다.

★ 이 책들은 에피소드 출판사에서 2003년에 출간됐던 『사고뭉치 아인슈타인, 빛을 뒤쫓다』와 『사고뭉치 아인슈타인, 엘리베이터를 타다』를 새롭게 펴낸 것입니다.

머리말

1장 상대성이론의 매력
2장 상대와 절대
3장 빛이 낳은 딜레마
4장 특수상대성이론 탄생 전야
5장 특수상대성이론의 탄생
6장 특수상대성이론 들어가기
7장 4차원과 광속 저 너머

부록
아인슈타인의 생애
참고 도서
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아인슈타인이 즐긴 또 하나의 사고(思考) 실험은 이러한 것이었다. 사고 실험이란 현 상황에서 직접 실험하는 것이 여의치 않을 때 머릿속에서 과정을 그려 결과를 도출해 내는 실험이다.

사방이 막혀 있는 공간에 내가 있다.
공간은 한없이 드넓다.
나는 손거울을 들고 있다.
그러나 빛이 없기에 손거울은 내 모습을 비추어 주지 못한다.
갑자기 공간 한쪽에 밝은 빛이 나타난다.
빛이 생긴 덕에 내 모습이 손거울에 뚜렷하게 나타난다.
빛은 계속 광채를 강하게 내뿜고 있다.
빛으로부터 벗어나고 싶은 충동이 인다.
나는 손거울을 들고 힘차게 달린다.
나는 속도를 높인다.
손거울을 본다.
내 모습은 여전히 그 속에 또렷이 영상을 드리우고 있다.
나는 속도를 한껏 높여 이내 빛의 속도에 이른다.
나는 다시 손거울을 바라본다.
아니, 이런!
내 모습이?

내 모습이 어떻게 되었을까? 볼록해졌을까, 오목해졌을까? 아니면 여러 영상이 겹쳐 보일까? 이도 아니면…….
광속에 이르는 순간, 그 전까지 손거울에 비쳤던 아인슈타인의 모습은 일순간에 사라져 버린다. 이유는 간단하다.
거울에 아인슈타인의 모습이 비치기 위해서는 빛이 거울에 반사되어야 한다. 그러니까 아인슈타인의 얼굴을 비롯해 몸 곳곳을 때린 광선이 손거울에 반사되어야만 그의 모습이 손거울에 나타나는 것이다. 그런데 아인슈타인이 달리는 속도가 빛과 같아지면 빛은 더 이상 그를 앞지를 수 없다. 그러니 손거울에 아인슈타인의 모습이 반사되기는커녕 공간 한쪽에서 뒤늦게 뻗어 나온 광선은 그를 따라잡을 수조차 없다.
☞ 1권 본문 31쪽 중에서