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세상은 E=mc²이 있기 전과 후로 나뉜다!

세상에서 가장 유명한 방정식의 일생『E=mc²』. 세상에서 가장 유명하고 아름다운 방정식 E=mc². 1905년 이제 막 20세기 시작했을 때, 스물여섯 살 무명 과학자였던 아인슈타인의 머릿속에 떠오른 이 짤막한 방정식이 어떻게 세계를 뒤흔들게 되었을까? 과학저널리스트 데이비드 보더니스가 상대성 이론의 해설서나 아인슈타인의 전기를 쓰는 대신 이 방정식의 일생을 따라가는 특별한 이야기를 들려준다.

2000년에 미국에서 출간되어 세계 20여 개국에 번역 출간되고, 한국에 2005년에 출간된 이 책은 지난 10년간 전 세계 교사들이 입을 모아 추천한 책이자 교양 과학서의 고전이 되었다. 이번에 재출간한『E=mc²』는 물리학 전문 번역가 김희봉이 물리학을 처음 접하는 사람도 이론적인 내용을 쉽게 이해할 수 있도록 심혈을 기울여 재번역하였다.

'E 에너지, = 등호, m 질량, c 빛의 속도, ² 제곱'에 담긴 유래를 하나하나 추리소설처럼 추적하며, 어려운 물리학 이론을 쉽게 이해하는 동시에 과학사의 흐름을 한 눈에 파악할 수 있도록 구성하였다. 아이슈타인을 비롯한 수많은 과학자들의 놀라운 과학적 발견과 그들의 열정과 사랑, 복수로 뒤섞인 일생을 촘촘하게 복원하고, 제2차 세계대전 속 원폭의 비극을 생생하게 묘사하였다. 더불어 태양의 따뜻함과 블랙홀의 깊은 어둠 등과 같은 재미있는 과학상식까지 알려줌으로써 흥미를 더하였다.

인류의 역사를 뒤흔들어 놓은 방정식 E=mc²를 한 사람의 인생처럼 풀다
추리소설처럼 술술 읽다보면 과학의 기초가 잡히는 교양 과학의 고전

“에너지는 질량과 빛의 속도의 제곱을 곱한 것과 같다.” 세상에서 가장 유명하고 아름다운 방정식 E=mc². 1905년, 이제 막 20세기가 시작했을 때, 스물여섯 살 무명 과학자였던 아인슈타인의 머릿속에 떠오른 이 짤막한 방정식이 어떻게 세계를 뒤흔들게 되었을까? E=mc²은 수십 년의 시간 동안 여러 과학자의 손을 거쳐 인류 역사를 송두리째 바꾼 가장 유명한 방정식이 된다.
금세기 최고의 과학저널리스트 데이비드 보더니스는 상대성 이론의 해설서나 아인슈타인의 전기를 쓰는 대신 이 방정식의 일생을 따라가는 특별한 이야기를 선보인다. E 에너지, = 등호, m 질량, c 빛의 속도, ² 제곱에 담긴 의미와 유래를 하나하나 추리소설처럼 추적한다. 그리고 아인슈타인을 비롯한 수많은 과학자들의 놀라운 과학적 발견과 그들의 열정, 사랑, 복수로 뒤섞인 일생을 촘촘하게 복원하고, 제2차 세계대전 속 원폭의 비극을 생생하게 묘사한다. 또한 태양의 따뜻함과 블랙홀의 깊은 어둠, 영화관 비상구 표시등과 같은 재미있는 과학 상식까지 알려주며 흥미를 더한다. 지난 10년간 전 세계 교사들이 입을 모아 추천한 책이자 교양 과학서의 고전이 된 《E=mc²》은 과학의 기초를 잡아주는 동시에 과학사의 가장 흥미로운 순간을 집중 조명한다.

■ 추천글
복잡하고 어려운 과학을 매혹적으로 풀어내는 데는 데이비드 보더니스를 당할 사람이 없다. -빌 브라이슨, 《거의 모든 것의 역사》, 《나를 부르는 숲》 저자

‘모든 것을 바꾼 방정식’을 모두가 알고 있기는 하지만, 흐릿하고 추상적으로 알고 있을 뿐이다. 그러나 데이비드 보더니스는 그 방정식을 명확하게 그려냈다. -〈디스커버〉

보더니스는 어떤 주제든 삶과 바로 접목시키는 재능을 가졌다. -〈라이브러리 저널〉

명쾌한 동시에 스릴이 넘친다. 이 책은 최고의 과학저널리즘 중 하나다. -〈워싱턴 포스트〉

수학이나 물리학이라면 겁에 질리는 사람들도 이 눈부신 책에는 매료되고 만다. -〈퍼레이드〉

“세상은 E=mc²이 있기 전과 후로 나뉜다!”
전 세계 교사들이 추천하는 교양 과학 필독서
금세기 최고의 과학저널리스트, 데이비드 보더니스의 [E=mc²] 재탄생하다

E=mc²이라는 위대한 방정식을 이해하는 가장 쉬운 책이자 지난 10년간 가장 많이 읽힌 물리학 책, [E=mc²]이 웅진지식하우스에서 재출간되었다. 2000년에 미국에서 출간된 이 책은 세계 20여 개국에 번역 출간되었고, 한국에는 2005년에 출간되었다. 이후 한국은 물론 전 세계 교사들의 추천 도서로 자리매김 하며 이미 10년 가까이 읽혀온 교양 과학의 필독서이자 고전으로 자리 잡았다. 이번에 재출간한 [E=mc²]은 [파인만 씨, 농담도 잘 하시네!] 등의 과학 베스트셀러를 번역한 물리학 전문 번역가 김희봉이 물리학을 처음 접하는 사람도 이론적인 내용을 쉽게 이해할 수 있도록 심혈을 기울여 전면 재번역했으며, 주석과 참고문헌 소개 또한 충실히 완역하여 더 많은 내용을 알고자 하는 독자들이 참고할 수 있도록 했다.
부모 세대가 학창 시절 읽고 자녀들에게 권해주며 10여 년 동안 인정받아온 이 책의 매력은 어려운 물리학 이론을 쉽게 이해하는 동시에 과학사의 흐름을 한 눈에 파악할 수 있다는 것이다. 새로운 번역으로 다시 찾아온 [E=mc²]은 물리학을 처음 접하는 청소년들에게 그리고 과학을 사랑하는 독자들에게 다시금 믿음직한 필독서로 자리매김할 것이다. [E=mc²]에 이어 데이비드 보더니스의 ‘3종 세트’로 알려진 [시크릿 하우스], [시크릿 패밀리]도 8월 중에 출간될 예정이다.

추리소설보다 강력하게 독자를 빨아들이는 E=mc²의 생애
“나는 상대성 이론을 해설하거나 아인슈타인의 전기를 쓰는 대신
E=mc²의 전기를 쓰기로 했다”

보더니스는 이 책의 서문에서 E=mc²를 진정으로 설명하기 위해 “상대성 이론을 해설하거나 아인슈타인의 전기를 쓰는 대신 E=mc²의 전기를 쓰기로 했다”고 밝힌다. 그 전기의 첫 부분은 취직을 못한 아들을 채용해달라고 애원하는 한 아버지의 편지로 시작한다. 이 절절한 편지에도 교수는 끝내 답장이 없었고, 아인슈타인은 결국 연구직이 아닌 특허청의 공무원으로 어렵사리 취직을 한다. 이 위대한 방정식의 탄생 배경에는 스물여섯 살 무명 과학자인 아인슈타인이 특허청에서 일하며 일상에 함몰되어 가는 모습이 있다. 그러나 어느 화창한 봄날 찾아온 영감에 사로잡힌 그는 논문 하나를 완성하고, 그 논문 속에 짧은 방정식 하나를 적어 넣는다. “E=mc².” 상대성 이론의 시작이자 방정식의 모습을 한 아이 하나가 세상 밖으로 나온 것이다. 이 방정식이 태어날 수 있도록 아인슈타인을 사로잡은 그 영감은 어디에서 온 것일까? 그리고 이제 막 태어난 방정식 E=mc²은 누구 손에 돌보아질 것이며 어떤 모습으로 성장할 것인가? 이 모든 질문과 사건들에 대해 보더니스는 추리소설처럼 박진감 넘치는 추적을 시작한다.

방정식을 두고 벌어지는 열정 가득한 과학자들의 생애
라부아지에와 마라의 복수극에서 마담 샤틀레와 볼테르의 세기의 사랑까지

E=mc²라는 방정식을 말로 풀어내면 “에너지는 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 것과 같다”라고 간단히 표현할 수 있다. 그러나 E=mc²의 진정한 의미를 알려면 이 설명만으로는 부족하다. 실제로 에너지 E는 무엇인가, 등호=는? 질량m은, 빛의 속도c는, 그리고 제곱은? 그리고 이 방정식에 따르면 어떤 일들이 일어나는가? E=mc²가 담고 있는 과학적 개념들은 현대인이라면 학교에서 쉽게 배울 수 있지만, 그 원리를 발견하기까지 아주 오랫동안 연구되었고 그 과정에서 많은 과학자들이 시행착오를 겪었다. 보더니스는 아인슈타인에게 영감을 주고 E=mc²를 발전시킨 수많은 과학자들의 자취를 추적한다. 그러나 이 과학자들의 연구 업적만을 단편적으로 다루는 것이 아니라 그들의 생애 속에 녹아든 탐구의 과정을 그려내어, 추상적이기만 했던 방정식과 물리학 개념들을 피부에 와 닿는 현실로 만든다.
가난한 제책공 마이클 패러데이는 어떻게 서로 다른 종류의 에너지가 하나로 연결되어 있다는 발상을 할 수 있었을까? 라부아지에는 어떤 과학적 논쟁으로 장 폴 마라와 반목해서 결국 처형될 수밖에 없었을까? 올레 뢰머가 빛의 속도를 밝히기 위해 하필 목성의 위성 이오를 관측한 이유는 무엇일까? 프랑스 귀족 부인 에밀리 뒤 샤틀레는 어떻게 물리학자가 되었는가? ‘E=mc²의 조상들’이라는 이름으로 각각의 개념을 정립시킨 과학자의 연구와 인생을 꼼꼼하게 복원해 낸 보더니스는, 이 방정식의 탄생과 성장이 아인슈타인 혼자만의 업적이 아니라는 것을 알리며 과학사와 연구에 대한 눈을 한층 넓혀준다.

전쟁에 휘말린 방정식의 비극, 원자폭탄의 탄생
“루스벨트 대통령 각하, 극단적으로 강력한 새로운 폭탄이 만들어질 수 있습니다.”

여러 과학자들의 손을 거쳐 E=mc²가 막 성장했을 때, 세계는 전쟁 중이었다. 방정식은 인류의 삶에 유용한 다른 기술도 가능하게 만들었지만, 전쟁 중에 ‘질량이 에너지로 바뀔 수 있다’는 새로운 사실이 밝혀졌다는 것은 이제까지 볼 수 없었던 강력한 폭탄을 만들 수 있다는 것을 의미하기도 했다. 이제 상대성 이론으로 세계적인 명성을 얻은 아인슈타인은 자신의 방정식이 비극의 씨앗이 될 것임을 예견했고 원자폭탄 개발에 대해 경고하는 편지를 루스벨트 대통령에게 보낸다. 그러나 돌아온 것은 “매우 흥미롭다”는 의례적인 답장뿐. 이때 독일에서 양자역학의 창시자 베르너 하이젠베르크가 원자폭탄 개발의 선두에 섰고, 한 발 늦게 사태의 심각성을 파악한 미국도 원자폭탄 개발에 전격적으로 뛰어들면서 미국과 독일의 숨 막히는 경쟁이 시작된다.
이제 E=mc²는 추리소설의 흥미진진함을 넘어 숨막히는 전쟁 다큐멘터리 속으로 독자를 빨아들인다. 2차 세계대전이 격화될수록 원자폭탄 개발 기술도 빠른 속도로 발달하고 있었다. 결정적인 시기에 연합군이 파견한 노르웨이 출신 특공대원들이 나치가 점령하고 있는 고국의 중수 공장을 습격한다. 이 공장에서 생산되는 중수는 독일 원자폭탄 개발에 쓰이는 핵심 재료로, 이 작전이 성공하면 독일의 개발 속도를 늦출 수 있었다. 노르웨이 대원들이 동족을 다치게 하는 비극을 감수하며 임무를 수행하자, 미국의 J. 로버트 오펜하이머가 주도하고 리처드 파인만, 닐스 보어 등 세계 최정상의 물리학자들이 모인 로스앨러모스에서 미국의 원자폭탄 개발팀인 ‘맨해튼 프로젝트’가 반격에 들어간다. 완성된 원자폭탄은 고작 두 손으로 감싸 쥘 수 있을 정도로 자그마했다. 이 폭탄이 히로시마와 나가사키를 휩쓰는 거대한 버섯구름을 만들어내고, 전쟁에 휘말린 E=mc²의 비극적인 일대기의 한 장이 막을 내린다.

태양의 불꽃과 지구의 창조, 블랙홀의 어둠까지
우주의 비밀을 푸는 열쇠 E=mc², 불멸의 삶을 얻다

아인슈타인이 참가하지 않았던 원자폭탄 개발의 과정은 이 책이 아인슈타인의 전기가 아닌 ‘E=mc²의 전기’이기에 나올 수 있었다. 이제 이야기는 원자폭탄의 영역을 넘어, 이 방정식이 어떤 영역에까지 확장해나갔는지에 방향을 돌린다. E=mc²이 우리가 살고 있는 이 땅 위에서만 작동하는 것이 아니라, 별의 탄생에서 생명의 사멸까지 우주의 모든 것을 통제하고 있음을 추적하는 것이다.
태양이 E=mc²에 따라 에너지로 변환되는 수소로 이루어져 있다는 사실을 처음 밝힌 세실리아 페인은 E=mc²의 속박을 지구에서 풀어 우주로 향하게 만들었다. 그 다음으로 E=mc²에 의한 내파 작용을 별의 폭발과 연결시킨 프레드 호일의 발견으로 지구가 어떻게 창조되었는지를 해석할 수 있게 되었고, 인도 출신의 천문학자 수브라마니안 찬드라세카르가 별이 멸망할 때 E=mc²의 작동이 어떻게 블랙홀을 만들어내는지 단서를 잡았다. 이처럼 E=mc²의 작동이 지구를 포함한 우주 전체를 주관하며, 핵잠수함부터 비상구 표시등, 화재 경보기와 GPS 위성에 이르기까지 우리 삶 속에도 얼마나 널리 퍼져있는지 실감하다 보면 E=mc²와 함께하는 인생 여정의 막바지에 다다른다.
세상에서 가장 유명한 방정식 E=mc²와 마찬가지로 세상에서 가장 유명한 과학자가 된 아인슈타인의 조용하고 쓸쓸한 말년을 그리며 이 전기는 마무리되지만, 이 여정을 함께한 독자라면 이 방정식의 일생은 죽음으로 마무리되지 않고 영원한 작동으로 이어질 것이라는 점, 또 다른 위대한 발견을 위한 과학의 조상이 될 것이라는 점을 예견할 수 있을 것이다.

서문_ 나는 E=mc²의 전기를 쓰기로 했다

1부 탄생
01 베른 특허청, 1905년

2부 E=mc²의 조상들
02 에너지 E
03 등호 =
04 질량 m
05 빛의 속도 c
06 제곱 ²

3부 유년 시절
07 아인슈타인과 방정식
08 원자의 중심
09 눈 덮인 길 위에서 비밀을 풀다

4부 성년 시절
10 독일에서 원자폭탄 움트다
11 노르웨이 습격
12 미국의 반격
13 오전 8시 16분, 일본 상공

5부 영원한 삶
14 태양의 불꽃
15 지구 창조하기
16 블랙홀의 어둠을 본 브라만 소년

에필로그_ 아인슈타인의 다른 업적들

부록_ 다른 주요 배역들의 뒷이야기
주
더 읽을거리
감사의 말
옮긴이의 말
찾아보기

나는 로켓과 섬광 따위를 늘어놓는 대신에 E=mc2의 전기를 쓰기로 했다. 전기는 한 사람의 조상, 아동기, 청소년기, 성년기 등을 다룬다. 방정식의 전기도 마찬가지이다. - 7~8쪽

아인슈타인의 일과가 끝날 때면 베른의 모든 과학 도서관은 문을 닫았다. 최신 소식을 알지 못하고서 어떻게 연구를 해나갈 수 있겠는가? 근무 시간 중에 잠시 짬이 나면 그는 책상 서랍에 둔 종이에다 뭔가를 끼적였다. 그는 이 서랍이 자기의 이론물리학과라고 우스갯소리를 했다. 그러나 할러는 그를 엄격하게 감시했고, 그 서랍은 거의 언제나 닫혀 있었다. -17쪽

빛은 움직일 때만 존재한다. 이것이 아인슈타인이 내린 결론이다. 이 통찰은 맥스웰의 이론 속에 숨어 있었지만, 40년이 넘도록 아무도 알아보지 못했던 것이다. 빛에 대한 이 새로운 깨달음은 모든 것을 바꿔놓았다. 이제 빛의 속도는 우주의 근본적인 속도 제한이 되었다. 아무것도 이보다 빠를 수 없다. -67쪽

16세가 되던 해에 베르사유 궁전에 들어갔으나, 여기에서도 그녀는 여전히 돋보였다. 멘사 회원이고 한때 액션 스타였던 여배우 지나 데이비스가 18세기에 있다고 생각해보라. 검은 머리채를 길게 늘어뜨린 에밀리의 모습은 놀랍도록 순진했다. 사교계에 갓 나온 상류 사회 아가씨들은 미모를 이용해서 남편감을 구하는 데 몰두하지만, 에밀리는 데카르트의 해석기하학을 읽으면서 잠재적인 구혼자들을 멀리했다. -76쪽

퀴리 부인이 흩뿌린 먼지는 겨우 10만분의 1그램 정도였지만, 여기에서 나온 방사선이 뼈 속의 DNA를 손상시켜서 치명적인 백혈병을 일으켰다. 수십 년 뒤에도 이 방사선은 아주 조금만 약해진 채 가이거 계수기를 울려서 문서 담당자들을 놀라게 하고 있다. -97쪽

원자가 열렸다. 이제까지 모든 사람이 틀렸다. 핵 속으로 들어가는 방법은 조각을 세게, 더 세게 때리는 것이 아니었다. 한 여인과 그 조카가, 한낮의 조용한 눈 속에서, 이제 그것을 이해했다. 우라늄 원자를 폭파하기 위해 엄청난 에너지를 쓸 필요도 없다. 그냥 충분한 중성자를 준비하고 시작되기를 기다리면 된다. -137쪽

“대통령 각하: 아직 발표되지 않은 최신 연구에 따르면 우라늄 원소가 아주 가까운 미래에 새롭고 중요한 에너지원이 될 것으로 보입니다. 이에 따라 일어난 상황의 어떤 측면을 주시해야 하며, 필요하다면 정부가 신속하게 조치해야 할 것입니다. 이 새로운 현상은 폭탄을 만들 수 있으며, 아직은 확실하지 않지만, 극단적으로 강력한 새로운 형태의 폭탄이 만들어질 것입니다. 이런 폭탄을 배에 실어 항구에서 터뜨리면 한 개만으로도 항구 전체와 주위의 지역이 한꺼번에 파괴될 것입니다.” -144쪽

그러나 오펜하이머는 파인만이 그렇게 적대적인 이유를 알고 있었다. 그의 젊은 아내는 결핵에 걸렸고, 당시에는 항생제가 나오기 전이라서 그녀는 곧 죽을 운명이었다. 오펜하이머는 전시에 금처럼 귀한 기차표를 구해서 그녀가 뉴멕시코로 오도록 주선했고, 로스앨러모스에서 가까운 병원에 입원 하도록 돌보아주어서 파인만이 자주 들를 수 있게 했다. 파인만의 회고에 따르면, 그는 언제나 함께 일한 관리자들을 통쾌하게 곯려주었다. 하지만 로스앨러모스에서 보낸 2년 동안은 예외였다. 그는 오펜하이머가 요청한 모든 일을 해냈다. - 178쪽

열차가 배에 실려 있는 동안에 침몰하면 호수가 깊어서 중수를 건져 올릴 수 없다. 그러나 틴쇼 호수는 베모르크 공장에서 일하는 사람들과 가족들이 노르웨이의 다른 지역으로 가는 길목이었고, 인기 있는 관광지이기도 했다. 나들이 나온 평범한 가족들이 언제나 이 연락선을 탔다. 거대한 선을 위해 누구를 죽일 것인가? E=mc2이 제안하는 힘 때문에 물리학자들은 끔찍한 윤리적인 타협을 해야 했고, 이것은 누구나 할 수 없는 큰 문제였다. -184쪽

이 세상의 것이라고 할 수 없는 이 물체는 0.5초 동안 최대로 타오르다가 2, 3초 만에 스러진다. 이 ‘스러짐’은 주로 열이 밖으로 빠져나가면서 일어난다. 갑자기 불꽃이 일어난다. 빛 덩어리의 표면이 찢어지면서 거대한 장막이 되어 아래에 있는 사람들을 뒤덮는다. 히로시마는 죽음의 땅이 되었다. -201쪽

쇼핑몰과 영화관에서 붉게 빛나는 비상구 표시등도 E=mc2을 이용한다. 비상구 표시등은 불이 나서 전력이 끊겨도 작동해야 하기 때문에 보통의 광원을 사용할 수 없다. 이 표시등에는 방사성 삼중수소가 들어 있어서, 쉽게 부서지는 삼중수소 핵이 질량을 잃으면서 내는 에너지를 이용해서 빛을 낸다. 병원에서는 의료 진단을 위해 이 방정식을 사용한다. PET 스캔(양전자 방출 단층촬영)이라고 알려진 강력한 영상 장치를 사용할 때는 환자가 방사성 산소 동위원소를 들이쉰다. 이 원자의 핵이 쪼개지고, 사라진 질량에서 나온 에너지 선이 몸에서 빠져나오는 것을 기록한다. 이것으