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“빛의 속도로 날아가면 무슨 일이 생길까?”
열여섯 살 아인슈타인의 상상력이 상대성 이론으로 발전하기까지

아인슈타인의 상대성 이론은 양자 역학과 함께 20세기 최대의 과학 이론으로 손꼽힌다. 그러나 상대성 이론은 “전 세계에서 이를 완전히 이해하는 이가 열두 명에 불과하다.”라는 말을 들을 정도로 어려운 이론으로 여겨졌다. 상대성 이론의 세계는 시간과 공간이 기묘하게 변하는 세계이며, 태어나서 중력의 지배를 한 번도 벗어난 적이 없는 지구인이 직관적으로 이해하기 어려운 것도 사실이다. 하지만 상대성 이론은 이미 여러 과학적 검증을 통해 확고한 물리 법칙으로 자리 잡았으며, 우리 생활 속에도 깊이 파고 들어 있다. [아인슈타인과 광속 미스터리] 는 그 여정을 따라가는 안내서이자, 청소년들에게 특수 상대성 이론을 쉽고 친절하게 설명하는 해설서이다.

"빛의 속도로 날아가면 무슨 일이 생길까?"
상대성 이론은 아인슈타인이 열여섯 살에 품은 이 질문에서부터 시작되었다.
빛의 속도로 날아가면서 손에 든 거울을 쳐다보면, 내 얼굴에서 반사된 빛은 차마 내 얼굴을 떠나지 못하기 때문에 손거울에 내 모습이 비치지 않아야 한다. 하지만 갈릴레오의 ‘상대성 원리’에 따르면 그런 일은 절대 일어나서는 안 된다. 과연 둘 중 무엇이 진실일까? 이 물음을 시작으로 아인슈타인은 스물여섯 살에 특수 상대성 이론을, 그로부터 10년 후에는 일반 상대성 이론을 창시하기에 이른다.

갈릴레이부터 아인슈타인까지
과학사를 알면 특수 상대성 이론이 보인다
이 책의 저자 박성관은 과학사를 이용해 청소년들을 특수 상대성의 세계로 이끈다. 난해한 시나 미술 작품들도 작가의 일생이나 시대 상황을 알면 더 친근하게 다가오듯이, 이 책도 과학사를 통해 특수 상대성 이론을 쉽게 이해하도록 서술한다.
이야기는 물리학의 역사를 거슬러, 천동설과 지동설 논쟁까지 올라간다. 코페르니쿠스를 지나 갈릴레오에 이르러 천동설을 반박하는 데 결정적인 역할을 했던 갈릴레오의 ‘상대성 원리’를 설명한다. 이후 신비한 에테르의 존재, 전기와 자기의 은밀한 관계 등 흥미진진한 과학 이야기를 듣다 보면 특수 상대성 이론을 이해하기 위한 기본기가 탄탄하게 다져질 것이다.

빛의 속도가 일정하다는 사실이 왜 과학자들을 괴롭혔을까?
초속 30만km, 광속 불변의 미스터리를 풀어 보자
19세기의 과학자들이 빛의 속도를 쟀더니, 여러 실험 조건과 상관없이 빛의 속도가 일정하게 측정되었다. 그리고 실험 결과들은 당시 과학자들을 충격에 빠뜨리고 만다.
‘광속 불변의 미스터리’는 수백 년간 확고한 물리 법칙으로 군림했던 갈릴레오의 상대성 원리에 반하기 때문이다. 상대성 원리는 ‘속도는 상대적’이며, 따라서 절대 속도는 존재할 수 없고 또한 등속 직선 운동 상태에서는 정지 상태와 같은 경험을 한다는 것.
그런데 빛의 속도는 이러한 ‘상대성 원리’를 위배하고 있다! 빛의 속도가 너무 빨라서 그 차이를 측정해 내지 못하는 것일까? 빛은 워낙 특별하여 예외인 것일까? 왜 빛만 예외일까? 갈릴레오의 ‘상대성 원리’는 폐기되어야 하나? 과학자들은 치열한 토론과 실험을 거듭한다. 도대체 왜 빛의 속도는 일정한 것일까?
아인슈타인과 함께하는 지구 밖 상상 실험
지구인의 상식을 벗어난 빛의 세계가 열린다
과학자들의 치열한 노력에도 불구하고 광속 미스터리는 이대로 미궁 속으로 빠지는 것만 같았다. 아인슈타인 또한 이 문제를 끌어안고 숱한 밤을 지새웠다. 그러던 어느 날, 아인슈타인의 머릿속에서는 번개-기차 상상 실험이 벌어진다. 지구를 벗어나 우주로 상상력을 확장하자, 나에게 ‘동시’인 사건이 다른 사람에게는 동시가 아닐 수 있고, 관측자마다 ‘지금’ 일어난 사건이 달라지는 세상이 펼쳐진다. 그 세상은 상대방의 시간이 느리게 흐르고 상대방의 거리는 단축되며, 광속은 항상 일정한 빛의 세계이다. 아인슈타인은 갈릴레오의 ‘상대성 원리’와 광속이 일정하다는 실험 결과, 두 마리의 토끼를 다 잡은 결론을 도출해 냈다.
청소년 시절부터 늘 가슴에 품고 있던 빛에 대한 호기심과 지구를 벗어나는 상상력, 그리고 포기하지 않는 인내심 덕분에 마침내 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 창시한다. [아인슈타인과 광속 미스터리]를 통해, 어느새 우리 곁으로 바짝 다가온 신기한 빛의 세계를 이해하고 경험해 볼 수 있을 것이다.

기존의 물리학 책에서는 상대성 이론을 최종적으로 완성된 것으로 간주하고, 이를 쉽게 설명하거나 납득시키는 것에 집중하는 면이 있다. 그렇기 때문에 갈릴레오로부터 로런츠와 푸앵카레를 거쳐 아인슈타인에 이르는 길은 단선적으로 묘사하거나 심지어 빠뜨리는 일이 많다. 그래서 대뜸 상대성 원리와 광속 일정을 가정한 뒤 논리적으로 어떻게 될 것인지를 보여주는 데 강조점을 둔다.
이 책은 이에 대해 상보적인 접근 방식을 택한다. 실제로 역사적으로 어떻게 상대성 원리와 광속 일정이 받아들여지게 되었는지 꼼꼼하게 살펴보고, 이를 디딤돌로 삼아 상대성 이론의 핵심으로 차근차근 올라간다.
- 김재영 / 물리철학자, 한국과학영재학교 교사

들어가며

1장 아인슈타인과 갈릴레오
2장 광속 미스터리
3장 전기가 준 선물
4장 광속 미스터리와의 정면 대결
5장 번개, 기차를 때리다
6장 당신을 위한 상상 실험
7장 특수 상대성 이론의 세계
8장 특수 상대성 이론 10문 10답
9장 그 후 아인슈타인은

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