빛보다 느린 세상

"쉽게 설명하는 상대성이론"은 없다!

시간과 공간에 대한 새로운 이해, 상대성이론을 제대로 파헤친다!



상대성이론은 인간이 일상생활에서 형성한 고정관념을 부인하는 이론이다. 대부분의 사람은 상대성이론이라는 이름만 들어도 이해하기를 포기하고 만다. 고등학교 과정에서 상대성이론을 다룬다고는 하나, 이를 실제로 이해하는 학생이 얼마나 되는지는 의문이다. 상대성이론을 증명하는 수식과 상식에 반하는 논리구조는 상대성이론을 이해하는 데에 더 큰 어려움을 안기고는 한다.

그렇다면 상대성이론을 이해하는 가장 쉬운 방법은 무엇일까? 상대성이론을 쉽게 설명해달라는 대중의 목소리는 계속해서 들려오고 있지만, 실제로 상대성이론을 쉽게 설명해낼 수 있는 방법은 없다. 상대성이론에 관련한 책을 수십 권 읽어본 누군가는 말한다. 자신은 상대성이론을 아는 것이 아니라 상대성이론을 안다고 '착각'하고 있다고. 상대성이론에 대한 설명을 반복해서 익히다 보니 그에 대한 친밀함을 쌓게된 것이다. 이보다 상대성이론을 쉽게 이해하는 방법은 인간이 자연스럽게 습득한 고정관념을 탈피하는 데에 있다. 그리고 이 고정관념을 탈피하려면 논리적으로 상대성이론의 개념을 습득해야 한다.

최강신 교수의 책은 수식을 거의 쓰지 않고 상대성이론을 차분하게 논증하며 탐구한다. 난해한 이론의 이해를 위해서 걸림돌이 되는 수식을 뒤로 미루고, 직관과 철저한 논리로 상대성이론의 결과는 물론 상대성이론 자체를 이해하도록 한다. 빛의 속도가 광원과 관찰자의 그 어떠한 상황과도 무관하게 일정하게 측정된다는 전제 하나로부터 출발한 논리의 전개는 평균 수준의 인내만 있으면 따라가는데 무리가 없을 정도로 친절하다. 상대성이론을 이해하기 위한 이 여정에서 저자는 쉽게 가기 위해 대충 넘어가는 부분 없이 확실하게 독자들을 안내한다.



출판사 서평

상대성이론만큼 황당하게 등장해서 차근차근 이론적, 실험적으로 검증 되고 아울러 지속적으로 도전받고 또 굳건히 버텨온 이론도 드물 것이다. 2011년 9월 CERN에서는 뉴트리노가 빛보다 빨리 운동한 실험 결과를 얻었다고 발표했다. 물리학계에서 거의 최고 권위를 가진 기관이 발표한 내용을 들어 일부 언론은 아인슈타인의 상대성이론이 깨졌다고까지 한데 비해서 학계의 분위기는 오히려 차분했다. 두 번의 정밀한 실험이 같은 결과를 냈음에도 불구하고 아마도 미처 챙기지 못한 모종의 실험 오류가 있을 것이라는 게 대체적인 의견이었다. 100여 년 동안 각종 이론적, 실험적 검증을 거친 상대성이론은 그만큼 정확성을 인정받고 있다. 결국, CERN은 자신들의 실험에서 오류(실험 장비 연결 부분의 접촉 불량)를 찾아내고 기존의 발표를 철회했다. 그리고 2016년 2월 중력파의 검출로 마지막 남은 일반상대성이론의 실험적 검증이 이뤄지고 인류는 우주를 보는 새로운 눈 하나를 더 가지게 되었다.

'아리스토텔레스 역학'의 오류를 수정하면서 나온 '뉴턴의 역학'이 200년간의 절대적인 믿음을 얻고 있다가 아인슈타인의 상대성이론으로 수정 확장되었듯이 이 상대성이론 역시 그런 과정을 거치게 될 가능성은 물리학자 누구도 부정하지 않는다. 하지만 지금은 아니다.

인류가 오랜 세월 겪어온 환경에 의해 형성된 직관 때문에 받아들이기 어려운 상대성이론을 또 다른 직관으로 상상하여 이해하는 이 과정은 몹시 논리적이지만 모순처럼 보이는 것이 당연하다. 뉴턴 역학 이래 형성된 시간과 공간에 대한 고정관념과 너무나도 어긋나는 상대성이론은 단순한 패러다임의 전환으로 가능한 혁명 정도가 아니다. 혁명은 현재의 모순을 현재의 논리로 이해할 수 있지만, 상대성이론은 전제 자체를 새롭게 바꿔야 하는 문제가 있다. 이 고정관념을 깨는 방법으로 치밀한 논리를 들고나온 것에서 이 책의 가치는 특별하다. 당장 눈앞에 전개되는 논리가 현재의 현상을 적확하게 설명하는 것에서 고정관념이 천천히 무너지기를 기대한다.

추천사

서문

들어가며 : 상대적인 시간



제 1부 특수 상대성이론

1. 가만히 있다는 것

2. 자연스러운 상태

3. 세상의 중심

4. 속도가 변한다, 힘을 받는다

5. 빛의 성질

6. 빛의 속력은 변하지 않는 것처럼 보인다

7. 동시에 일어난 두 사건은 보는 사람에 따라 동시가 아닐 수도 있다

8. 길이와 시간은 절대적이지 않다

9. 시간을 다시 생각해보다

10. 길이를 다시 생각해보다

11. 질량을 다시 생각해보다

12. 시간과 공간의 대칭. 사차원 시공간



제 2부. 직관을 넘어서는 특수 상대성이론

13. 누구의 시간이 느리게 가나: 쌍둥이 역설

14. 누구의 길이가 짧아지나

15. 길이가 짧아지는 것인가, 아니면 짧아 보이는 것인가

16. 동시성 파괴에 모순은 없나

17. 물체가 다가오거나 멀어지면 시간 흐름이 달라진다

18. 물체가 다가오거나 멀어지면 돌아가 보인다

19. 빛보다 더 빠르게 움직이는 것은 시간을 거꾸로 거슬러간다



제 3부. 일반 상대성이론

20. 지상의 불완전한 운동과 하늘의 완전한 운동

21. 달도 사과처럼 땅에 떨어진다.

22. 중력

23. 빛도 땅에 떨어진다

24. 모든 것이 떨어진다면, 그것이 자연스러운 상태가 아닐까

25. 중력은 가속도와 구별할 수 없다

26. 중력 때문에 달라지는 시간, 그에 따라 이동하는 물체

27. 휜 공간에서 힘을 받지 않고 나아간다

28. 아인슈타인 방정식의 내용

29. 블랙홀

30. 일반 상대성이론의 검증

31. 시간과 공간



제 4부 수식으로 이해하는 상대성이론

32. 자연스러운 상태

33. 얼마나 느리게 흐르나

34. 질량과 에너지

35. 빛의 속력이라기보다는 자연의 기본 상수

36. 중력과 등가 원리

37. 중력 때문에 빛이 휘는 효과

38. 휜 공간의 기술

39. 아인슈타인 방정식의 형태

참고자료와 간단한 해설

용어 설명

주석

최강신 저자 최강신은 이화여자대학교 스크랜튼학부 교수. 서울대학교에서 이론 물리학을 공부하고 박사학위를 받았으며, 독일 본(Bonn) 대학교, 교토대학교, 한국 고등과학원에서 연구하였다. 힘과 물질의 기본 단위를 미세한 끈으로 보는 끈이론에서 입자 물리학의 표준모형을 이끌어내는 연구를 하고 있으며, 일반 상대성이론을 초대칭으로 확장한 초중력의 형태에 대한 연구도 하고 있다. 학생들과 과학과 사회에 대하여 토론과 글쓰기를 같이 하며 서로 배움을 주고받고 있다.