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▶ 물리학에 관한 내용을 담은 전문서적입니다.

단 두 가지 원리로 상대론을 알 수 있다?

상대성이론은 과학을 좋아하는 사람들에게 언제나 인기가 있다. 물리학의 이론 중에서 이만큼 흥미를 갖게 하는 것도 흔치 않다. 그 이유는 아마 시간이나 공간에 대한 의외성, 우주의 구조와의 관련 때문일 것이다. 또 상대성이론이 핵에너지에 대한 기본 법칙을 밝혔다는 점도 사람들의 관심을 끄는 원인일 것이다.
한편 아인슈타인이라고 하는 물리학자의 개성, 휴머니즘과 격동하는 사회의 관계가 사람들을 끌어들이는 점도 간과할 수 없을 것이다.
이토록 인기가 있는 상대성이론이지만, 아이러니하게도 학교의 물리학 수업에서는 상대성이론을 거의 다루지 않는다. 그 이유는 ‘어렵다, 일상적이 못된다, 실용적이 아니다’라는 점에 있을 것이다. 일상적인 것이 아니라는 점은 확실하다. 그러나 나머지 두 가지는 의문이다.
상대성이론만큼 그것을 이해하기 위한 예비지식이 적은 이론도 흔치 않다. 상대성이론의 사고방식을 이해하는 데에는 중학생 이상의 수학이 필요하지 않다. 물리학의 예비지식도 거의 필요하지 않다. 기본이 되는 원리는 상대성이론과 광속도 불변의 원리 단 두 가지뿐이다. 이 두 가지 원리의 핵심만 파악하면 상대성이론은 어렵지 않다.
실용 면에서는 어떨까? 물리학자의 세계에서 상대성이론은 예사로이 사용되고 있다. 싱크로트론 등의 입자가속기 속에서는 고속 입자가 상대성이론을 좇아 운동한다. 원자력발전(그리고 핵병기)의 기본 원리도 상대성이론에 있다.
이 책에서는 다음을 목표로 삼았다.

1. 특수상대성이론을 중심으로 해설한다.
2. 아인슈타인에 대해서 그 생애를 그려 본다.
이때에 주의한 점은 다음과 같다.
1. 왜 시간, 공간의 사고방식을 바꿔야 했는지, 그 이유를 생각해 보고 싶다.
2. 신비로운 것이 아니라는 것을 제시해 보고 싶다.
3. 일반상대론과의 구별을 명확히 해 보고 싶다.
4. 상대성이론과 현대 물리의 관련성을 생각해 보고 싶다.
5. 아인슈타인의 평화주의, 핵에너지와 관련해 과학과 사회의 관계를 생각해 보고 싶다.

그리고 이 책을 쓰는 데는 많은 책을 참고했다. 또 되도록 역사상에 있는 사실을 정확하게 전달하기 위해 많은 책을 인용했다.
그럼, 아인슈타인과 그의 상대성이론의 세계로 출발하자.

머리말

1장 상대성이론의 예고
1. 아인슈타인 소년의 꿈
빛, 공간, 시간
성장, 학교
자연에 대한 관심

2. 갈릴레이의 상대성원리
선구자 갈릴레이
관성의 법칙
관성계란?
갈릴레이의 상대성원리
뉴턴의 역학
역학에서의 속도는 덧셈

3. 절대공간, 절대시간
뉴턴의 절대공간, 절대시간
용기 있는 비판자 마흐
아인슈타인에게 끼친 영향

2장 두 가지 원리가 모든 것을 결정한다
1. 기회는 성숙했다
수업을 싫어하는 아인슈타인
직장을 얻지 못한 아인슈타인
영광의 올림피아 아카데미

2. 두 가지 원리
빛의 속도를 측정
입자설과 파동설
마이컬슨-몰리의 실험
상대성원리
광속도 불변의 원리
아인슈타인을 괴롭힌 모순
문제의 핵심

3장 뒤집어지는 시간의 상식
1. 최대 속도로서의 광속
광원 회전의 패러독스
쌍성으로부터의 빛
개미처럼 느린 광속

2. 시간의 지연
은하철도를 타고
달려가는 시계의 지연
공시계를 생각한다면
아인슈타인의 ‘정지계’
시간 지연의 공식
입자의 수명이 길어진다
피타고라스의 정리만으로써
우주여행의 패러독스

3. 동시각의 상대성
1905년 전후의 아인슈타인
패러다임 변화
동시각의 상대성
시각의 역전
인과관계는 허물어지지 않는다

4장 공간의 수축은 왜 일어나는가?
1. 로런츠 수축
우주여행은 꿈일까?
물체의 길이를 측정하는 방법
길이의 상대성
로런츠 수축의 공식
수축의 공식을 구하자
다시 우주여행의 패러독스로
쌍둥이의 패러독스

2. 획기적인 속도합성법칙
속도는 덧셈이 되지 않는다
두 원리의 모순 해결

5장 상대성이론의 영향
1. 특수상대성이론에서 일반상대성이론으로
플랑크의 지원
베를린으로
역학과 전자기학의 대립
일반상대성이론

2. 유명인이 된 아인슈타인
나의 인생에서 가장 행복한 생각
등가원리
두 질량의 불가사의한 일치
일반상대성원리
광선의 휘어짐과 일식
일식 관측 탐험대
일그러지는 하늘나라의 빛

3. 아인슈타인의 참모습
아인슈타인의 위기
크고 작은 집
미녀에게 약한 아인슈타인

4. 아인슈타인과 나치 독일, 그리고 국가
‘위험한’ 평화주의
독일로부터의 탈출

6장 핵에너지로의 길
1. 상대론은 역학을 바꿔 놓았다
뉴턴 역학의 모순
질량의 증가
운동방정식의 운명은?

2. 질량과 에너지의 새로운 관계
빛으로 만들어진 과자
질량과 에너지는 같다
빠른 입자일수록 무거워진다
라듐으로부터 원자핵의 변환으로

3. 아인슈타인과 원자 폭탄, 수소 폭탄
둘로 쪼개지는 우라늄
핵분열에 의해 핵의 질량이 줄어든다
질량의 결손
성냥이 타는 것도 연쇄반응
아인슈타인의 편지
맨해튼 계획
히로시마와 나가사키

7장 아인슈타인과 현대물리학, 그리고 사회
1. 양자역학과 아인슈타인
물리학의 또 하나의 혁명
해명된 원자의 구조
아인슈타인의 저항
2. 일반상대론과 통일장이론
아인슈타인의 통일이론 시도
현대의 통일이론에 대한 도전
우주론과 일반상대론

3. 아인슈타인과 과학자와 전쟁
히로시마, 나가사키와 물리학자들
정치 논리와 과학자의 무지
다시 아인슈타인의 평화주의에 대하여
만년의 아인슈타인
전쟁에 도입된 과학
과학자의 블랙홀
아인슈타인을 넘어서는 것은?

후기
이 책에 등장하는 주요 과학자의 프로필