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물리학이나 수학적 계산에 대한 두려움을 이겨 내고
상대성이론의 세계로 여행을 떠나 보자!

상대성이론을 이해하는 가장 좋은 방법!
상대성이론이 등장하는 과정을
한 발짝 한 발짝 따라가 보는 것!
어느새 성취감을 느낄 수 있게 될 것이다

중·고등학교 과학 교과서를 비롯 어린이와 청소년, 성인에 이르기까지 다양한 독자들을 위한 수십 권의 과학 교양서를 집필·번역하고, 과학관에서 대중 강연을 하는 등 과학 대중화에 힘써온 수원대 물리학과 곽영직 명예 교수의 기초 물리학 입문서가 출간되었다.
『상대성 이론은 처음이지?』는 여러 가지 실험적 검증을 거쳐 이제 물리학의 기초로 자리 잡은 상대성이론이 만들어지는 과정을 물리학의 역사와 함께 쉽고 흥미롭게 풀어냈다. 과학과 물리는 무조건 어렵다고 생각하는 사람들의 상식을 깨 주는 책이다.
과학에 조금이라도 흥미를 가지고 접근하는 사람들의 의지를 한번에 꺾어 놓는 것이 이른 바 세기의 천재라 불리는 아인슈타인의 상대성이론이다. 상대성이론은 과학 역사상 최고의 이론 중 하나로 불리니 상식으로라도 알아야 하는데, 시중에 나와 있는 상대성이론 책들은 여지없지 기대를 무너뜨린다. 절대 속도에 익숙한 우리에게 혼란스런 상대 속도를 들이대니 도통 이해할 수 없는 딴 나라 이야기처럼 들릴 뿐이다.
이유가 무엇일까? 코끼리 코를 이해하기 위해서는 코끼리를 제대로 알아야 한다. 상대성이론도 마찬가지다. 상대성이론은 마치 뚝 떼어 놓은 하나의 이론이 아니라 지구 중심설에서 시작돼 우주의 작동 원리로까지 이어지는 하나의 거대한 과학사슬에 얽혀 있는 이론이다. 따라서 크고 넓은 전체적 시각 속에서 공부할 때 비로소 상대성이론을 쉽게 이해할 수 있다.
책은 상대성이론과 연결된 과학 역사를 기초로 한 총 9개의 장으로 이루어져 있으며, 각각의 장은 세 부분으로 구성되어 있다.

- 호기심을 돋우는 과학자 또는 핵심적 문제를 제기하는 도입
코페르니쿠스가 지구 중심설에 이의를 제기하며 『천체에 관하여』라는 책을 내면서도 기성 과학의 권위에 짓눌려 머뭇거리는 장면, 새로운 과학시대를 연 뉴턴 이야기, 특히 행성의 크기를 측정하는 한석 박사의 공상과학 소설 이야기는 상대성이론을 이해하기 위해 기존의 우리 상식을 깨야 함을 알려 준다는 점에서 압권이다.(5장) 이어지는 6장의 도입에서도 공상과학 소설 기법을 인용하여 빛보다 빠르게 달리는 것이 왜 불가능한지 알려 줌으로써 우리의 상식을 깨는 데 큰 도움을 준다. 도입 말미에서는 ‘누구의 주장을 받아들여야 할까?(110쪽)’ ‘과연 특수상대성이론에 의하면 빠른 속력에서는 질량이 어떻게 변할까?(146쪽)’와 같은 질문으로 호기심을 증폭시킨다.

- 과학적 문제 제기 이후 전개되는 과학 개념과 실험적 증명을 소개하는 본문
본문에서는 도입에서 제기되었던 과학적 문제들을 풀기 위한 과학 개념과 실험적 증명들이 소개된다. 예를 들어 5장 특수상대성이론의 도입에서 제기되었던 행성의 크기 측정 문제에 대해 기존의 뉴턴역학을 깨야 하는 이유가 제기된다. 기존의 과학자들은 뉴턴역학의 범주에서 행성의 크기를 측정하려 했기에 답을 찾을 수 없었다. 하지만 자유로운 영혼이었던 아인슈타인은 기존의 뉴턴역학에 얽매이지 않았기에 특수상대성이론을 완성할 수 있었다. 8~9장의 일반상대성이론에서 아인슈타인은 빛처럼 빠른 속력에서의 가속도 운동 문제를 제기한다. 기존 뉴턴역학에서는 생각조차 하지 못했던 부분이다. 아인슈타인이 제기한 특수상대성이론과 일반상대성이론이 여러 과학 개념과 수식에 의해 증명되는 과정이 의외로 쉽게 전개되고, 다른 과학자들에 의해 증명되어 나가는 과정도 흥미롭게 진행된다.

- 상대성이론을 우리 삶에 접목시키는 ‘상대성이론 세상 산책’
과학이 아무리 중요해도 실제 우리 삶과 관련 없으면 사람들은 흥미를 가지지 못한다. 이에 이 책의 각 장 말미에는 ‘상대성이론 세상 산책’이란 코너가 마련돼 있다. 상대성이론이 우리 삶과 무슨 관련이 있을까, 하겠지만 ‘차멀미는 왜 나는 것일까?’(1장), ‘특수상대성이론과 원자폭탄이 관련된 이야기(7장)’, ‘우리 생활 속의 상대성이론(8장)’ 등을 통하여 상대성이론을 우리 생활과 접목시키고 있다. 뿐만 아니라 ‘상대성이론 세상 산책’에서는 상대성이론과 관련하여 우리의 사고영역을 넓히는 주제도 마련돼 있다. ‘위대한 발명가이기도 했던 뉴턴(2장)’, ‘아인슈타인 이전에 상대성이론에 다가갔던 사람들(3장)’, ‘빛의 속력이 느린 세상에서는 어떤 일이 일어날까?(5장)’, ‘작은 차고에 큰 자동차가 들어갈 수 있을까?(6장)’, ‘웜홀을 통한 시간여행이 가능할까?(9장)’ 등이 그것이다.

어떻게 이렇게 꼭 필요한 내용만 골라냈을까? 어떻게 이렇게 쉽게 설명했을까? 어떻게 이렇게 재미있게 엮었을까? 평소에도 저자의 책에 대해 이런 생각을 하고 있었는데, 이 책은 그중에서도 압권이다. 많은 역사적 일화들은 물리학자인 내가 읽어도 새록새록 재미가 솟는다. 우선은 상대성이론에 관심이 있는 아버지께 한 권 사 드리고, 유치원 다니는 손녀가 중학교에 진학하면 꼭 한 권 사 주어야겠다.

작가의 말 4

1장 빠르게 달리고 있는 지구와 상대성 원리
『천체 회전에 관하여』의 이상한 서문 12
우주 중심에 정지해 있는 지구 17 빠르게 달리고 있는 지구 19
『두 우주 체계에 대한 대화』 22 상대성 원리 25
상대성이론 세상 산책: 차멀미는 왜 나는 것일까? 32

2장 중력법칙과 운동법칙
『자연철학의 수학적 원리』 36
관성의 법칙 39 가속도의 법칙 43 작용과 반작용 45
빛보다 더 빠르게 달리는 것도 가능하다 46
중력법칙 48
무거운 물체와 가벼운 물체는 어느 것이 더 빨리 떨어질까? 50
운동량과 에너지 52
물리량과 상대속력 53
상대성이론 세상 산책: 위대한 발명가이기도 했던 뉴턴 57

3장 빛과 전자기파
맥스웰과 전자기파 62
17세기의 빛에 대한 연구 66 19세기의 빛에 대한 연구 71
전자기파의 발견 74 마이컬슨과 몰리의 실험 76 물리학에 나타난 불협화음 81
상대성이론 세상 산책: 아인슈타인 이전에 상대성이론에 다가갔던 사람들 84

4장 아인슈타인의 생애
아인슈타인의 기적의 해 88
고등학교를 중퇴한 아인슈타인 92 아라우 고등학교 94
스위스 연방공과대학 96 아인슈타인의 기적의 해 이후 97
다시 독일로 돌아온 아인슈타인 100 통일장 이론 104
상대성이론 세상 산책: 나의 흔적을 남기지 마라 105

5장 특수상대성이론
누구의 측정값이 옳은 것일까? 108
상대성 원리와 광속 불변의 원리 111
로렌츠 변환식 115
로렌츠 변환식의 의미 119
상대성이론 세상 산책: 빛의 속력이 느린 세상에서는 어떤 일이 일어날까? 123

6장 시간지연과 길이의 수축
어떤 폭발이 먼저 일어났는가? 126
속력 더하기 129 동시성과 시간지연 132 길이의 수축 137
상대성이론 세상 산책: 작은 차고에 큰 자동차가 들어갈 수 있을까? 140

7장 질량과 에너지
빛보다 빠른 속력으로 달려라 144
질량의 증가 147 질량과 에너지 152 E=mc2이 바꾸어 놓은 세상 156
상대성이론 세상 산책: 실라르드와 아인슈타인, 그리고 원자폭탄 159

8장 일반상대성이론
계속되고 있는 피사의 사탑 실험 164
등가원리 168 중력이 작용하는 경우의 관성계 171
중력에 의한 시간의 지연 173 쌍둥이 역설 176 휘어진 공간 177
일반상대성이론과 우주 181
상대성이론 세상 산책: 우리 생활 속의 상대성이론 184

9장 일반상대성이론의 증명
수성의 이상한 행동 188
일식 실험 192 중력에 의한 시간지연 실험 195
그래비티?B 위성의 측정 200
중력파의 관측 201
상대성이론 세상 산책: 웜홀을 통한 시간여행이 가능할까? 206

지구는 사과를 당기고 사과는 지구를 당기는데 지구가 사과로 떨어지지 않고 사과가 지구로 떨어지는 것은 무엇 때문일까? 사실은 사과가 지구로 떨어지는 것이 아니라 사과와 지구가 서로 가까워진다. 다만 사과보다 지구가 훨씬 질량이 크기 때문에 사과는 많이 움직이고, 지구는 아주 아주 아주 조금 움직이기 때문에 사과가 떨어지는 것처럼 보일 뿐이다. _45쪽

빛에 대한 연구가 시작된 1600년대에는 빛의 정체에 대해서 여러 가지 다양한 학설이 제안되었다. 일부 과학자들은 빛이 눈 에 보이지 않는 액체와 비슷한 물질이라고 주장하기도 했으며, 일부에서는 빛이 아주 작은 입자의 흐름이라고 했고, 또 다른 사람들은 빛이 파동이라고 주장했다. 그러나 어느 학설도 빛과 관련된 모든 현상을 설명할 수 없었기 때문에 빛의 정체에 대한 논쟁은 오랫동안 결론을 내리지 못하고 있었다. _66쪽

과학의 역사에는 두 번의 기적의 해가 있다. 한 번은 뉴턴이 고향인 울즈소프에서 운동법칙과 중력법칙, 그리고 미적분법을 생각해낸 1666년이고, 다른 하나는 아인슈타인이 과학의 역사를 바꾸어 놓은 세 편의 논문을 발표한 1905년이다. 이 해를 기적의 해라고 부르는 것은 보통 사람으로는 불가능하다고 생각되는 일을 뉴턴이나 아인슈타인이 짧은 기간 동안에 해냈기 때문이다. _88쪽

사람들은 시간도 측정하는 사람의 상대속력에 따라 달라진다는 말을 쉽게 이해할 수 없었다. 하지만 행성에서 일하던 사람들이 관측한 결과와 우주선에서 카메라로 관측한 결과는 모두 의심할 수 없는 사실이었으므로 한석 박사의 주장을 받아들이지 않을 수 없었다.
측정하는 사람의 상대속력에 따라 시간도 정말 달라지는 것일까? _128쪽

서로 다른 관성계에서 측정한 물리량 사이에 어떤 관계가 있는지를 다룬 특수상대성이론을 완성한 아인슈타인은 이제 속도가 달라지고 있는 기준계에 대해 생각하기 시작했다. 속도가 달라지고 있는 기준계를 가속계라고 부르고, 가속계에서 일어나는 일들을 다루는 이론이 일반상대성이론이다. 가속계를 다룬 이론을 일반상대성이론이라고 부르는 이유는 일정한 속력으로 달리고 있는 관성계보다는 가속계가 더 일반적인 경우이기 때문이다 _168쪽

그렇다면 우주여행을 하고 있던 쌍둥이가 우주여행을 마치고 지구로 돌아왔을 때는 누가 나이를 덜 먹었을까? 우주여행을 하고 있던 쌍둥이가 지구로 돌이오기 위해서는 달리던 속력을 줄인 다음 다시 반대 방향으로 속력을 높여야 하고, 지구 부근에 와서는 속력을 줄여 지구에 착륙해야 한다. 다시 말해 우주여행을 하던 쌍둥이는 항상 같은 관성계에만 있었던 것이 아니라 가속계를 거쳐야 한다. 일반상대성이론에 의하면 가속계, 즉 중력이 작용하는 계에서는 시간이 천천히 간다. 따라서 우주여행을 하고 돌아온 쌍둥이가 나이를 적게 먹는다. 우주여행 시대가 되어 우주 철도국에 취직을 하게 되면 역에서 근무하는 것보다는 우주선을 타고 여행하는 직책에서 근무하는 것이 나이를 천천히 먹는 방법이다 _176~177쪽