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상상하고 생각하고 음미하며 느리게 읽는 과학, ‘김찬주 교수의 고독한 물리학’ 첫 권의 주제는 특수상대성이론이다. 아인슈타인의 특수상대론은 난해하다고 알려져 있지만, 실은 과학을 잘 모르는 사람도 대학교 전공수업에서 배우는 것과 똑같은 수준으로 배우고 생각할 수 있는 몇 안 되는 이론이다. 단지, 그동안 믿어 온 익숙한 시간과 공간의 개념을 뒤집기 때문에 어렵게 느껴질 뿐이다.
강의 잘하기로 정평 난 김찬주 교수는 현대 과학의 핵심에 자리한 특수상대론을 아무런 사전 지식 없이도 이해할 수 있도록 쉽게, 동시에 어떤 논리적 비약도 없이 충실히 설명한다. 1+2=3처럼 단순하고 익숙한 일상의 경험에서 출발해서 빛시계와 질주하는 기차와 상대론적 오징어 게임이 등장하는 다채로운 사고실험 속으로 우리를 데려간다. “왜 빛의 속도만 그렇게 특별한가”, “지붕 없는 무빙워크를 탔을 때와 버스를 탔을 때 실험 결과는 같을까 다를까”, “움직인다는 건 대체 뭘까?” 머릿속에 맴도는 막연한 의구심과 근본적인 물음까지 잡아채서 따져보고 설명하니 납득이 간다. ‘물알못’, ‘수알못’이라도 차근차근 따라가면 역사적인 방정식 E=mc²을 직접 유도하고, 식에 담긴 의미를 읽어내는 벅찬 감격을 맛볼 수 있다. 공간축과 시간축으로 이루어진 시공간 좌표계 위에 나와 너의 세계선을 그리며 서로의 과거와 미래가 다를 수 있다는 사실도 눈으로 확인한다.
특수상대론을 알아가는 이 모든 흥미로운 여정은 과학자의 생각법을 따라 직접 ‘과학하기’를 체험하는 과정이기도 하다. 그렇게 상상하고 생각하고 곱씹고 음미하며 느리게 읽다 보면 불현듯, 지금껏 믿어왔던 시간과 공간의 개념이 뒤집히고 4차원 시공간의 새로운 지평이 열리는 놀라운 순간을 맞이하게 된다. 달리의 그림과 에셔의 판화가 다르게 보이고, 영화 〈인터스텔라〉를 연상시키는 브라이언 메이의 노래 〈‘39〉에 새삼 울컥한다. “앞으로 너와 세계선을 영원히 공유하고 싶어.” 같은 오글거리는 ‘이과 멘트’를 날려 보고 싶은 부작용도 있긴 하다.

★〈네이버 프리미엄콘텐츠〉 인기 연재물을 책으로 만난다
★K-MOOC 강의 학습자 만족도 1위, 대교협 등이 선정한 ‘대학 100대 좋은 강의’에 빛나는 김찬주 교수 집필
★한국출판진흥원 출판콘텐츠 창작 지원사업 선정작

[네이버 연재로 먼저 만난 독자의 반응]
“와 기훈의 시간을 알 수 없다는 게 소름, 충격!”_용띠아줌마
“상대성이론 관련 지금까지 본 글 중 가장 이해하기 쉽고, 아름답게 쓰신 것 같습니다. 다음 편이 벌써 기다려집니다.” _워니둘
“새벽까지 읽고 있는 독자입니다. 너무 재밌어요. 문과생 출신에게 이렇게 재밌는 물리 수업을 해 주시다니, 이 깔끔한 설명들 정말 감동적이에요.” _닉네임 겁나겹쳐
“영화나 웹툰 저리 가라 재밌네요. 소설책 읽는 것처럼 재밌고 흥미진진해요.”_음메켈리
“아예 공간의 변화와 시간의 변화를 연결해서 생각해야 했네요. 지금까지 배운 내용 중 가장 충격적으로 새로운 시야가 열린 기분입니다.” _몽환포영
“움직이는 큰 빙하에서 공을 던지는 것에서 마음이 납득됐어요.” _너비아니
“교수님 글을 읽으니 나이 40을 훌쩍 넘긴 이 나이에도 호기심이 샘솟네요.” _Dedication

[상세리뷰_책의 구성과 내용]
이 책은 〈네이버 프리미엄콘텐츠〉에서 인기리에 연재되었던 글을 엮은 것으로, 연재 당시 독자들의 반응과 질문을 반영해 표현을 다듬고 내용을 보완했다. 전체 47개의 글을 주제에 따라 여섯 개의 장으로 나누어 묶었으며, 각 장의 끝에 [토론]을 두어 남아 있는 의문점과 추가 논의를 다루었다. 몇 가지 심화 내용은 부록으로 덧붙였다.

Ⅰ장. 특수상대론을 만나기 위한 짧은 준비
특수상대론은 일상 경험을 통해 획득한 상식적 시간과 공간의 개념을 뒤집는 이론이다. Ⅰ장에서는, 특수상대론을 본격적으로 설명하기에 앞서 상식적 시간과 공간의 개념을 정리한다. 우리의 일상 경험에 따르면 우주에는 하나의 절대적인 시간이 흐르고 있다. 세상 어디에서든 시간은 1초, 1초 똑같이 흘러가고, 따라서 나의 1초는 너의 1초와 같다.

Ⅱ장. 빛의 속도와 관성계
특수상대론은 두 가지 가정을 바탕으로 한다. 첫째는 모든 관성계가 동등하다는 ‘특수 상대성 원리’이고, 둘째는 빛의 속도가 모든 관성계에서 일정하다는 ‘광속불변의 원리’이다. Ⅱ장에서는, 어디선가 많이 들어 익숙한 이 두 가정의 진정한 의미가 무엇인지 알아본다. 광속의 99%의 속도로 달리는 우주선에서 보아도 빛의 속도는 똑같을까? 빛의 속도가 늘 같다는 사실이 왜 놀라울까? 왜 빛의 속도만 그렇게 특별한가? 여러 의문에 답을 찾을 수 있다.

Ⅲ장. 시간
위의 두 가지 가정을 바탕으로 본격적으로 특수상대론의 여러 효과를 설명한다. 나에게 동시에 일어난 사건이 일정한 속도로 움직이는 사람에게는 동시가 아닐 수 있다는 동시성 파괴, 움직이면 시간이 천천히 흐른다는 시간팽창을 알아본다. 이제 우리는 모두 자신만의 자와 시계를 갖고, 나의 1년이 너에게는 1시간이 될 수도 있다는 사실을 이해하게 된다. 정밀한 원자시계를 비행기에 태우고 각각 동쪽과 서쪽으로 여행하여 시간팽창 효과를 검증한 1960년대 실험 결과도 확인할 수 있다. 오늘날에는 휴대전화 지도 앱에서 자신의 위치를 확인할 때마다 우리 모두가 상대론의 검증에 동참하고 있다! GPS의 원리에 시간팽창 효과가 들어 있기 때문이다.

Ⅳ장. 시간 여행
시간팽창을 기반으로 쌍둥이 역설을 알아보고, 미래로의 시간 여행이 가능할 뿐 아니라 현실에서 항상 일어나는 일임을 이해한다. 과거로의 시간 여행은 불가능하다는 것도 확인한다. 이번 장에서는 서기 2980년에 태어난 쌍둥이 기훈과 지영, 그리고 마침내 광속의 99% 속도로 움직이는 우주선이 개발된 서기 3000년의 이야기가 펼쳐진다. 브라이언 메이의 노래 〈‘39〉의 가사를 음미해 보는 시간도 준비되어 있다.

Ⅴ장. 시공간
특수상대론에 따르면 공간에서도 길이수축 효과가 나타나기 때문에 시간과 공간이 통합되어야 하는데, 그것을 ‘시공간’이라고 한다. Ⅴ장에서는 특수 제작된 신장계와 상대론적 ‘오징어 게임’을 통해 길이 수축을 알아보고, 시공간 그림을 이용해 물리학자가 이해하는 방식으로 과거, 현재, 미래, 그리고 ‘딴곳’의 개념을 살펴본다. 원리적으로 불가능하지만 ‘만약에’ 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 물체가 있다면 그것이 왜 과거로 가는 타임머신이 될 수 있는지도 이해한다.

Ⅵ장. E=mc²
과학에서 가장 유명한 방정식인 E=mc²이 어떻게 나오는지 직접 유도해 보고, 이를 통해 질량과 에너지의 동등성을 이해한다. 핵발전과 핵폭탄의 원리, 특수상대론을 통해 물질의 존재 양식을 어떻게 이해할 수 있게 되었는지도 알아본다. 물리학의 전체 지형에서 특수상대론의 위치를 확인하고, 일반상대론, 고전역학, 양자역학과의 관계도 살펴본다.

이공주복(이화여대 물리학과 명예교수)
아인슈타인은 ‘간단히 설명할 수 없다면, 잘 이해하지 못한 것이다’라고 했습니다. 이 명언은, 잘 이해하고 있기에 간단히 설명할 수 있는 물리학자 김찬주 교수를 떠올리게 합니다. 자신은 웃지 않으면서 청중을 웃길 수 있고, 재미있으면서도 정확하고 쉽게 정통 물리학을 전달할 수 있는 능력을 지닌 저자가 특수 상대성 이론을 설명합니다. 정말 아무런 사전 지식이 없는 평범한 일반인도 특수상대론의 핵심을 이해할 수 있습니다. 저자의 말대로, ‘물리학자처럼 생각하고 물리학자처럼 결론에 도달하는 완전한 체험’을 경험해 보세요. 현대물리와 현대 문명의 토대가 된 아인슈타인의 이론을 아인슈타인과 똑같은 방식으로 이해하는 벅찬 기쁨을 누려 보세요.


이 책은 특수상대론을 일반인의 눈높이에서 알기 쉽게 설명하기 위해 썼습니다. 하지만, 그것이 유일한 목적은 아닙니다. 책을 쓴 가장 근본적인 의도는 특수상대론을 통해 독자가 물리학 연구를 직접 체험하게 하는 것입니다. 관람이나 견학, 시찰, 혹은 간접 체험이 아니라 시작부터 끝까지 물리학자처럼 생각하고 물리학자처럼 결론에 도달하는 완결된 직접 체험입니다. 이런 온전한 체험이 우리가 살고 있는 세상을 과학의 눈으로 새롭게 바라보는 계기가 될 수 있기 때문입니다. _머리말에서

머리말: 과학으로 세상을 이해한다는 것 7
들어가는 말: 특수상대론의 특별함 17

Ⅰ. 특수상대론을 만나기 위한 짧은 준비
1강. 바람맞은 약속, 그리고 시간과 공간 25
2강. 일상에서 속도 더하기: 1차원 31
3강. 일상에서 속도 더하기: 2차원 37
[토론] 달리는 차에서 밖으로 던진 쓰레기의 행방 44/ 열린 공간과 닫힌 공간은 다르다? 46

Ⅱ. 빛의 속도와 관성계
4강. 빛의 속도, 그 심오함에 관하여 51
5강. 상식적 시간과 공간의 붕괴 60
6강. 누가 정지해 있고 누가 움직이는가 68
7강. 관성계와 특수상대론의 두 가지 가정 77
[토론] 빛의 속도는 왜 특별한가 86/ 일반상대론에서도 빛의 속도는 항상 c인가 87/ 상대론적 속도의 덧셈 88

Ⅲ. 시간
8강. 너의 시간과 나의 시간은 다르다 93
9강. 광속 불변이면 절대적 동시는 없다 101
10강. 시계와 자, 그리고 좌표계 109
11강. 빛으로 시간을 재는 법 117
12강. 시간 팽창, 그 필연적 이유 124
13강. 시간 팽창 공식 130
14강. 움직이면 진짜 시간이 느리게 흐른다 136
15강. 시간은 얼마나 느려질 수 있는가 143
16강. 시간 팽창 효과의 검증: 뮤온 붕괴 150
17강. 서쪽으로 간 비행기의 시간이 빨라진 까닭은 156
18강. 지구 자전 및 중력과 시간의 흐름 161
19강. GPS의 원리와 광속 불변 168
20강. GPS와 시간 팽창 176
[토론] 빛시계의 길이 변화 183/ 빛시계를 눕혀서 사용할 수는 없는가 183/ 사고 실험과 물리적 통찰 184

Ⅳ. 시간 여행
21강. 쌍둥이 역설: 서기 3000년의 어느 날 189
22강. 미래로 시간 여행을 하는 방법 197
23강. 시간 여행의 실제 202
24강. 과거로의 시간 여행은 가능한가 208
25강. 시간 여행의 물리학 215
[토론] 쌍둥이 역설 비틀어보기 222/ 공간이 무한히 긴 직선이 아닐 때의 쌍둥이 역설 223/ 과거로의 시간 여행이 불가능하다는 결론은 얼마나 믿을 수 있는가 224

Ⅴ. 시공간
26강. 움직이면 길이가 줄어든다 229
27강. 특수상대론적 ‘오징어 게임’ 235
28강. 특수상대론의 종합 효과 242
29강. [퀴즈] 두 기차역과 기차의 특수상대론 250
30강. [퀴즈의 답] 두 기차역과 기차의 특수상대론 257
31강. 시간과 공간에서 4차원 시공간으로 265
32강. 시공간 그림을 그리자 272
33강. 빛의 세계선과 시공간 그림 279
34강. 시공간 그림 그리는 법 287
35강. 시공간, 물리학자처럼 이해하기 294
36강. 과거, 현재, 미래, 그리고 ‘딴곳’ 303
37강. 초광속이면 타임머신이 되는 이유 312
[토론] 시공간 그림과 로런츠 변환 320/ 두 기차역과 시계 문제를 시공간 그림으로 그려 보기 321

Ⅵ. E=mc²
38강. 운동량 보존법칙 327
39강. 새로운 운동량을 찾아서 338
40강. 상대론적 운동량 346
41강. 정지질량의 합은 보존되지 않는다 351
42강. 왜 E=mc²인가 356
43강. E=mc²의 의미 363
44강. 질량·에너지 동등성 370
45강. E=mc²과 핵폭탄 379
46강. E=mc²과 반물질 390
47강. 특수상대론을 넘어 399
[토론] 보존법칙은 늘 성립할까?_뇌터의 정리 404/ 빛의 에너지와 운동량, 그리고 양자역학 405/ 특수상대론의 응용 407

맺음말: 놀이동산에서 나오며 412

〔부록〕 로런츠 변환 유도 415/ 상대론적 속도의 덧셈 공식 유도 418/ 반물질의 존재 419

상대론은 시간과 공간의 이야기입니다. 이 이론은 우리가 지금까지 살아오면서 단 한 번도 의심하지 않았던 정든 시간과 공간의 모습이 사실은 허상이라고 설명합니다. _25쪽

우리는 일상에서 어떤 특별한 의미가 있는 일을 ‘사건’이라고 부르지만, 그런 의미는 사람이 부여한 것일 뿐 자연은 아무런 구분을 하지 않습니다. 물리학적으로는 특정 순간에 특정 위치에서 일어나는 모든 것이 다 사건입니다. 크리스마스에 지영의 동네에 눈이 오는 것만 사건이 아니라 기훈의 시계가 정오를 나타내는 것도 특정 순간에 특정 위치에서 일어나는 훌륭한 사건이죠. 숨 쉬는 것도 사건이고 눈 한 번 깜박이는 것도 사건입니다. _27쪽

‘빛의 속도는 누구에게나 어떤 상황에서도 변하지 않고 일정하다.’ 이것을 광속 불변의 원리라고 합니다. 이때 그 일정한 값이 초속 30만 킬로미터 근처인 것이고요. 여기까지는 그냥 그러려니 하면 될 것 같은데, 도대체 왜 이게 경천동지할 얘기일까요? 이 사실의 진정한 의미를 가슴 깊이 깨달았느냐 아니냐에 따라 사람은 특수상대론을 이해한 사람과 그렇지 못한 사람의 두 종류로 나뉩니다. 이해한 사람은 다시는 무지몽매했던 과거로 돌아갈 수 없습니다. _53쪽

특수상대론은 마법 같은 이론입니다. 그토록 단순한 가정과 그토록 짧은 논증으로, 그토록 강렬하게 마음을 뒤흔들어 놓습니다. 100% 완벽하게 이해할 필요는 전혀 없습니다. 처음에는 아무도 그러지 못합니다. 10%, 아니 1%만이라도 그 의미를 살짝 스치듯 느끼는 순간이 오면, 그 느낌을 결코 잊을 수 없습니다. _101쪽

호기심 많은 인간이라면 정말 시간이 느려지는 걸 눈으로 보고 싶은 게 당연합니다. 하지만 이미 설명했듯이 인간이 일상에서 접하는 정도의 속도로는 시간 팽창 효과가 매우 작아서 몸으로 느끼기가 사실상 불가능합니다. 그렇다고 완전히 불가능한 건 아닙니다. 아주 정밀한 시계가 있다면 말이죠. _157쪽

“우리가 만나면, 저는 지영보다 7살이나 늙었을 거예요. 지영이 같이 우주여행을 떠나자고 했지만 제가 거절했지요. 저는 게을러서 여행을 싫어하거든요. 제가 선택한 운명이니 누구를 탓하겠어요.”
자신보다 젊은 쌍둥이를 만날 때 어떤 느낌이 들지 학생들이 잠시 상상하는 동안, 기훈은 이렇게 말하며 수업을 끝냈습니다.
“이 수업을 통해 여러분은 시간 여행의 원리를 배웠습니다!” _195쪽

보통의 물질은 움직이는 속도가 아무리 빨라져도 빛을 넘어설 수 없습니다. 정확히 광속으로 움직이는 것도 안 됩니다. 0.999...9c는 가능합니다. 이 속도에 0.000...1c를 추가하는 건 누워서 떡 먹기처럼 쉬울 것 같은데, 이 마지막이 절대로 안 됩니다. 무한대의 에너지가 필요하거든요. 우주에 있는 모든 에너지를 다 동원해도 전자 한 개의 속도조차 0.000...1c를 증가시키지 못합니다. _209쪽

특수상대론을 공부할 때 시공간 개념이야말로 초보 단계를 넘어서기 위해 꼭 필요한 열쇠입니다. 동시성 파괴, 시간 팽창, 길이 수축 등등을 아무리 알고 있어도 시공간 개념이 확립되어 있지 않다면, 눈 감고 코끼리 만지기 수준의 피상적이고 파편적인 이해밖에 하지 못한 것입니다. 시간과 공간의 변환을 자연스럽고 자유롭게 다루기 위해, 여기서는 ‘시공간 그림’을 그리는 방법을 알아보겠습니다. _272쪽

만약 어떤 물리학도 커플이 있다면, “앞으로 너와 세계선을 영원히 공유하고 싶어.” 하면서 프러포즈를 할 수도 있습니다. 실제로 들으면 온몸에 닭살이 돋을지도 모르니 실행은 하지 마세요. _285쪽

‘사랑은 움직이는 거야’라는 광고 문구가 떠오르네요. 운동량의 정의도 움직입니다. 사랑은 마음을 따라가지만, 운동량의 정의는 유용함을 따라가죠. 그 유용함은 바로 보존법칙입니다! _345쪽

이미 여러 차례 강조했지만, 상대론의 마법은 관점을 바꿀 때 일어납니다. _353쪽

유도과정을 곰곰이 곱씹어 보면, E=mc은 E나 m을 어떻게 해석하느냐에 따라 여러 다른 의미가 있다는 사실을 깨달을 수 있습니다. 하늘에서 뚝 떨어진 식을 비판 없이 받아들이는 것과 모든 과정을 자기 눈과 손과 뇌를 이용하여 일일이 고민하고 검증하며 따라가 보는 것의 차이가 이런 데 있습니다. E나 m은 단순히 에너지와 질량으로 받아들여야 하는 어떤 것이 아니라, 이들이 등장한 맥락 속에서 우리가 의미를 부여하고 해석해야 하는 존재입니다 _365쪽

핵분열 반응에서 0.1% 정도의 질량이 사라진다는 것은 99.9%의 질량이 그대로 남아 있다는 뜻입니다. 100% 완전히 사라지는 반응은 없을까요? 만약 존재한다면, 이건 그야말로 질량·에너지 동등성을 보여 주는, 순도 100% 궁극의 현상일 겁니다. 우주 어디에선가 찾을 수 있을까요? 있습니다. 사실은 생각보다 가까운 곳에서 꽤 많이 일어나죠. 바로 우리의 몸 안에서도 일어납니다. _389쪽