상대성이론, 이 정도만 알면 상식이 된다 세상에는 유클리드의 ‘기하학’을 비롯해 ‘자연철학의 수학적 원리’, ‘전자기학’, ‘열역학’, ‘양자론’ 등 대이론이라 불리는 몇 가지 이론이 있다. 그런데 어찌나 난해한지 우열을 가리기 힘들 정도다. 그중에서도 상대성이론은 특히 어려운 분야로 여겨진다. 왜 그럴까? 우리는 평소 뉴턴의 ‘절대 좌표’와 ‘절대 시간’이 감각적으로 몸에 배어 있다. 길이는 어디서 재든 같으며, 시간은 장소 불문하고 같은 속도로 흘러간다고 생각한다. 그러나 상대성이론에서는 ‘속도가 아주 빨라지면 시간이 느려진다’와 같이 상식에 어긋난 이론을 예측한다. 이 책은 인류 역사상 가장 유명한 물리학자 중 한 명인 아인슈타인의 상대성이론을 알기 쉽게 풀어 써 미적분으로부터 도망친 문과 수포자들도 흥미진진하게 읽을 수 있도록 했다. 일상과 동떨어져 우주의 탄생과 소멸같이 거대한 주제를 다루는 어려운 물리학 이론 중 하나로만 여겨왔던 상대성이론은 뜻밖에도 우주 관측에 사용되는 입자가속기 등 천문학 관련 분야뿐만 아니라 시간과 공간을 정밀하게 측정해야 하는 우리 삶의 모든 영역에 영향력을 미치고 있다. 스마트폰 지도 기능과 자동차 내비게이션은 상대성이론을 반영한 보정이 없다면 오차가 너무 커서 아무짝에도 쓸모없는 물건이 되었을 것이다. 또한 상대성이론을 설명하는 방정식 중 하나인 중력장 방정식을 통해 블랙홀의 존재를 밝혀내기도 했다. 필자는 상대성이론처럼 방대하고 난해한 대이론을 읽어나가기 위해서는 역설적이게도 이해하려는 생각부터 버리는 것이 좋다고 제안한다. 그저 편안하게 쭉쭉 읽어보라는 것이다. 읽다 보면 ‘믿기 힘든 사실’이 머리에 남는다. 끝까지 완독했다면 기억이 생생할 때 다시 한 번 읽어보자. 그러면 처음에 믿기 힘들었던 부분이 ‘음, 그럴 수도 있겠다’ 하며 다가온다. 상대성이론은 조금만 이해해도 흥미롭게 다가온다. 우주를 무대로 빛을 타고 돌아다니며 시간을 초월해 비약한다. 현대과학은 138억 년 전 일어난 빅뱅 이후 우주는 계속 팽창을 거듭해왔다고 주장한다. 그렇다면 우주는 앞으로 어떻게 될까? 생물처럼 언젠가 끝을 맞이할까? 이 책을 통해 해답을 찾아보자.

시작하며 제1장 상대성이론 01 아인슈타인이 등장하기 전 물리학은 어땠을까? 02 17세기 이후의 상식이 흔들리기 시작했다? 03 양자론은 어떻게 탄생했을까? 04 상대성이론은 어떤 학문일까? 제2장 상대성원리의 기초 01 ‘갈릴레이의 상대성원리’란 무엇일까? 02 등속 직선 운동에서는 어떤 일이 벌어질까? 03 가속도가 작용하면 물체는 어떻게 될까? 제3장 광속 불변의 원리 01 ‘빛’이란 무엇일까? 02 빛의 속도는 항상 같을까? 03 빛을 전하는 물질은 무엇일까? 04 빛의 속도는 어떻게 측정했을까? 05 빛보다 빠른 물질이 존재할까? 제4장 광속에서의 시간 지연 01 시간의 속도는 모두 같을까? 02 광속으로 이동하면 나이를 천천히 먹을까? 03 광속으로 이동할 때 시간은 얼마나 느려질까? 04 시간이 얼마나 느린지를 나타내는 지표가 있을까? 05 시간 지연과 상대성이론의 관계는? 06 쌍둥이 역설이 실제 일어났다고? 제5장 광속에서의 길이 수축 01 빛의 속도로 날면 우주선 길이가 줄어들까? 02 속도가 빨라지면 길이는 왜 줄어들까? 03 빛에 가까운 속도에서는 물체 사이의 거리도 줄어들까? 04 광속에서 속도를 더하면 어떻게 될까? 제6장 에너지와 질량은 같다 01 질량과 중량은 어떻게 다를까? 02 광속에 가까워지면 질량이 커질까? 03 에너지와 질량은 어떤 관계가 있을까? 04 질량과 에너지는 같을까? 05 아인슈타인의 방정식 ‘E = mc2’은 어떤 내용일까? 06 입자가 쌍으로 생기거나 사라진다고? 제7장 중력과 시공간의 휨 01 ‘질량’과 ‘중력’은 어떻게 다를까? 02 평행선은 서로 만날 수 있을까? 03 중력이 공간을 휘게 할 수 있을까? 04 중력은 빛을 휘어지게 할까? 05 중력 작용이 사진에 찍혔다고? 06 ‘아인슈타인의 마지막 과제’란 무엇일까? 제8장 입자성과 파동성 01 빛은 파동? 전자는 입자? 02 물질에는 ‘파동’의 성질이 있을까? 03 ‘양자화’란 무엇일까? 04 빛도 양자화할 수 있을까? 05 아인슈타인이 끝까지 인정하지 않은 이론? 제9장 우주를 구성하는 물질 01 우주의 기원은? 02 항성은 어떻게 탄생했을까? 03 원자는 어떻게 태어나 성장할까? 04 별에도 수명이 있을까? 제10장 블랙홀 01 별은 어떻게 생을 마감할까? 02 일본에서 별 폭발을 관측했다고? 03 블랙홀이란 무엇일까? 04 블랙홀이 ‘증발’한다고? 05 블랙홀의 일생은 어떨까? 06 드디어 블랙홀을 발견했다고? 제11장 우주의 미래 01 우주는 팽창하고 있을까? 02 우주에 관측 불가능한 존재가 있다고? 03 앞으로 우주는 어떻게 될까? 04 고대인은 우주를 어떻게 생각했을까? 마치며 참고문헌 사진 출처

상대성이론은 이름 그대로 ‘모든 것은 상대적이다’라는 입장에서 발전한 이론이다. (중략) 우리는 보통 ‘누가 보든 누가 재든 1m는 1m’라고 생각한다. 그러나 상대성이론에서는 ‘보는 사람에 따라 1m의 길이는 변한다’ ‘보는 사람에 따라 1초의 길이는 변한다’고 주장한다. _23쪽 상대성이론은 어떤 학문일까? 함께 30세가 되는 동급생 두 명이 있다. 이 중 한 명은 우주비행사가 되어서 광속으로 날아가는 우주선을 타고 30년 동안 비행을 했다. 30년 후 임무를 마치고 지구에 돌아와 보니 비행사는 48세밖에 되지 않았고, 지구에 남아 있던 동급생은 60세가 되었다는, 옛날 전래동화 속에나 나올 법한 이야기가 있다. 그런데 이 이야기는 상대성이론에 비추어 보면 합리적인 귀결이다. 왜 그럴까? _59쪽 광속으로 이동하면 나이를 천천히 먹을까? 지구와 1.3광년 떨어진 행성에 있는 우주선이 곧 귀환한다고 가정해보자. 우주선에는 1년 후 지구에서 결혼식을 올릴 예정인 젊은 커플이 타고 있다. 우주선은 최고 광속의 80% 속도로 비행할 수 있다. 그러나 1.3광년이라는 거리를 가려면 최고 속도로 이동한다고 해도 1.3 ÷ 0.8＝1.6년 넘게 걸린다. 과연 두 사람은 지구에서 결혼식을 올릴 수 있을까? _78쪽 빛에 가까운 속도에서는 물체 사이의 거리도 줄어들까? 만약 상대성이론을 반영한 보정이 없다면 내비게이션 정보는 오차가 너무 커서 아무짝에도 쓸모없는 물건이 되었을 것이다. 내비게이션으로 정밀 유도되는 군사 로켓도 마찬가지다. 착탄 지점 등을 정확히 계산할 수 있는 것도 상대성이론이 있기에 비로소 가능하다. _80쪽 광속에서 속도를 더하면 어떻게 될까? 한편 평행선이 서로 교차하는 ‘비상식적’인 공간도 존재한다. 예를 들어 지구 적도 위에 위치한 비행장 두 곳에서 비행기가 한 대씩 정북쪽을 향해 출발했다고 가정해보자. 비행기 두 대는 서로 평행 관계를 유지하며 북쪽을 향해 날아간다. 그러나 북극에 가까워질수록 서로의 간격이 좁아진다. 그리고 북극에 도달했을 때 비행기 두 대는 충돌하고 만다. _107쪽 평행선은 서로 만날 수 있을까? 2019년 4월 10일, 지구에 있는 여덟 대의 대형 전파망원경을 연계한 ‘사건의 지평선 망원경’이라는 국제 협력 프로젝트에서 마침내 블랙홀을 촬영하는 데 성공했다. 촬영된 블랙홀은 처녀자리 은하단의 타원 은하 ‘M87’ 가까이에 위치한 거대 블랙홀이다. 지구에서 5,550만 광년 떨어져 있으며, 질량이 무려 태양의 65억 배에 달하는 상상을 초월한 크기였다. (중략) 아인슈타인 자신조차 존재를 의심했던 블랙홀이 그 신비의 베일을 벗는 순간이었다. _165쪽 드디어 블랙홀을 발견했다고?