상대성이론 ABC(돋을새김 푸른책장 시리즈 37)

고전 물리학과 상대성이론의 대비

이 책의 앞부분은 뉴턴으로 대표되는 고전 물리학과 아인슈타인의 상대성이론을 대비하며 설명하는 것에 집중되어 있다. 러셀은 뉴턴의 절대적 시간과 공간 개념을 먼저 소개한 후, 이러한 개념들이 상대성이론에 의해 어떻게 수정되었는지를 상세히 설명한다.

"뉴턴은 힘을 믿었으며, 절대적인 공간과 시간을 믿었다. 그는 이런 믿음을 자신의 기술적인 방법론에 구현시켰으며, 그의 방법론은 후대의 물리학자들에게 남아 있었다. 아인슈타인은 뉴턴의 가설에서 벗어난 새로운 기술을 만들어냈다. 하지만 그렇게 하기 위해 그는 아득한 옛날부터 문제가 되지 않았던 공간과 시간에 대한 오래된 생각들을 근본적으로 변화시켜야만 했다. 이것이 바로 그의 이론이 어렵기도 하고 흥미롭기도 한 이유다."(24쪽)

러셀은 고전 물리학에서의 운동 법칙과 상대성이론에서의 차이를 비교하면서, 왜 고전적인 설명이 한계에 부딪히게 되었는지를 명확히 대비한다. 예를 들어, 수성의 궤도에서 발생하는 작은 편차는 뉴턴의 중력 법칙으로는 설명할 수 없었으나, 아인슈타인의 일반 상대성이론을 통해 정확히 설명될 수 있었다. 이러한 부분을 통해 독자들은 고전 역학이 가진 한계와 상대성이론의 필요성을 더욱 깊이 있게 이해할 수 있다.

특수 상대성이론과 일반 상대성이론의 차이

러셀은 또한 특수 상대성이론과 일반 상대성이론의 차이를 명확히 설명한다. 특수 상대성이론은 주로 관성계에서의 시간과 공간의 상대성을 다루며, 광속이 모든 관찰자에게 동일하다는 가정에서 출발한다. 이는 빠른 속도로 움직이는 물체의 시간 지연, 길이 수축과 같은 현상을 설명하는 데 유용하다. 반면, 일반 상대성이론은 중력까지 포함하여 비관성계에서도 성립하는 이론으로, 중력장이 공간과 시간의 기하학적 구조에 미치는 영향을 다룬다. 이를 통해 아인슈타인은 중력을 단순한 힘이 아니라, 시공간의 곡률로 설명하며, 이를 통해 천체의 운동과 중력 렌즈 효과 등을 설명할 수 있게 되었다.
러셀은 이러한 두 이론의 차이점을 독자들이 쉽게 이해할 수 있도록 다양한 비유와 예시를 들어 설명하며, 이를 통해 상대성이론이 어떻게 발전해 왔는지를 알기 쉽게 풀어낸다. 이러한 설명을 통해 독자들은 특수 상대성이론과 일반 상대성이론이 서로 어떤 관계에 있으며, 각각의 이론이 어떤 문제들을 해결하기 위해 제안되었는지를 명확히 이해할 수 있다.

상대성이론의 철학적 성과

러셀의 철학적 성찰은 과학 이론이 절대적인 진리를 제공하는 것이 아니고 시대에 따라 수정되고 발전할 수 있는 지식임을 강조하는 것이다. 우리가 인식할 수 있는 세계와 실제 세계 사이의 차이를 인정해야 한다는 것이다. 상대성이론이 관찰자의 위치와 속도에 따라 세계가 달라진다는 것을 보여주었듯이, 과학 이론 역시 진리에 가까워질 수는 있지만 진리 그 자체는 아닐 수 있다는 점을 독자들에게 일깨워준다.

"지금도 우리는 진정한 과학 지식의 핵심에 도달하기 위해 상상력에 불과한 것을 벗겨내는 과정의 마지막 단계에 도달하지 못했을 가능성이 크다."(217쪽)
"최종 결론은 우리가 아는 것이 매우 적다는 것이다. 그러나 그럼에도 우리가 이토록 많은 것을 알고 있다는 사실은 놀랍고, 더 나아가 이 적은 지식이 우리에게 이토록 큰 힘을 준다는 사실은 더욱 놀랍다."(224쪽)

제1장 촉각과 시각, 지구와 하늘 … 13
제2장 어떤 일이 일어났고, 어떤 것이 관찰되었나? … 26
제3장 빛의 속도 … 39
제4장 시계와 자 … 53
제5장 시공간 … 67
제6장 특수 상대성이론 … 79
제7장 시공간의 간격 … 94
제8장 아인슈타인의 중력법칙 … 112
제9장 아인슈타인 중력법칙의 증거들 … 130
제10장 질량, 운동, 에너지, 작용 … 141
제11장 우주는 유한할까? … 156
제12장 관습과 자연법칙 … 169
제13장 '힘'의 폐기 … 183
제14장 물질이란 무엇인가? … 196
제15장 철학적 결과들 … 208

부록 뉴턴과 아인슈타인: 중력 이론의 주요 차이점은 무엇일까 … 220

버트런드 러셀 (Bertrand Russell, 1872~1970)

영국의 철학자, 논리학자, 사회개혁가로 1950년 노벨 문학상을 수상했다. 논리, 인식론, 수학 철학에 대한 공헌으로 20세기 최고의 철학자 중 한 명으로 손꼽힌다. 일반 대중에게는 평화 운동가이자 사회, 정치, 도덕적 주제에 대한 글을 쓰는 인기작가로 더 잘 알려져 있다. 평생 70여 권의 책과 약 2,000편의 글을 발표했으며, 브리태니커 백과사전에 상대성이론의 철학적 결과를 논의한 칼럼이 수록되어 있다.
11살 때 유클리드 기하학을 배운 경험이 '첫사랑만큼이나 눈부셨다'고 고백할 정도로 확실하고 입증 가능한 지식의 매력에 빠져들었던 그는 1890년 수학을 공부하기 위해 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지에 입학했다.
수학 전체가 논리에 불과하다는 생각을 증명하기 위해 《수학의 원리Principles of Mathematics》(1903)를 집필했으며, 알프레드 노스 화이트헤드와 함께 집필한 《수학원리 Principia Mathematica》(전3권)(1910~13)은 20세기의 위대한 지적 업적 중 하나로 꼽힌다. 1918년에는 《수학원리》의 대중화를 위한 《수학철학 입문》을 발표했다.
베스트셀러 철학입문서인 《철학의 문제들The Problems of Philosophy》(1911)을 기점으로 일반 독자들을 대상으로 한 작품을 더 많이 발표하기 시작했다.
전통적인 성 도덕에 정면으로 도전하고 교육 개혁에 헌신하는 진보적 사회주의 운동의 지도자로서 명성을 얻었다. 이 시기에 《교육에 관하여On Education〉(1926), 《결혼과 도덕Marriage and Morals》(1929), 《행복의 정복The Conquest of Happiness》(1930) 등을 발표하면서 일반 대중의 눈에 당대의 도덕적, 정치적, 사회적 문제에 대해 중요한 발언을 하는 철학자로 자리매김하게 되었다. 필라델피아의 반스 재단에서 강의했던 철학사 강의를 엮어 《서양 철학의 역사》(1945)를 출간했고, 이 책은 지금도 널리 읽히고 있는 베스트셀러이다.