상대성이론은 처음이지?(과학이 꼭 어려운 건 아니야 1)

- 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.

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

곽영직 서울대학교 자연과학대학에서 물리학을 공부한 후 미국 켄터키대 학교 대학원에서 박사 학위를 받았다. 수원대학교 물리학과 교수로 재직하면서 자연대학장, 대학원장 등을 역임했으며, 현재는 명예교수로 있다. 『양자역학으로 이해하는 원자의 세계』, 『세상을 바꾼 과학 이야기』, 『과학자의 철학노트』 등 많은 책을 썼고, 『우주의 기원 빅뱅』, 『힉스 입자 그리고 그 너머』, 『우주의 시작과 끝 : 아리스토텔레스에서 호킹까지』, 『BIG QUESTIONS 118 원소』 등을 번역했다.

중학교 『과학(금성출판사)』 교과서와 고등학교 『물리Ⅰ』(YBM) 교과서를 비롯해서 『전기와 자기』, 『힘, 운동량, 에너지의 삼각관계』, 『쿤 이 들려주는 과학 혁명의 구조 이야기』, 『왜 땅으로 떨어질까』 등 수많은 어린이·청소년 과학책의 필자이기도 하다.