빛의 속도로 이해하는 상대성이론

이종필 교수의 아주 특별한 물리학 수업

- 어서 와! 상대성이론은 처음이지?

과학에 대한 관심이 높아지면서 현대물리학의 출발점이라고도 할 수 있는 상대성이론을 알고 싶어 하는 사람들이 점점 많아지고 있다. 때문에 상대성이론을 쉽게 알려 준다는 콘셉트의 과학교양서도 많이 출간되었다. 그러나 상대성이론은 쉽지 않다. 만약 상대성이론을 손쉽게 이해할 수 있는 방법이 있다면, 지난 100년 동안 전 세계의 수많은 사람들이 그 방법으로 상대성이론을 이해하지 않았을까?

정통 물리학 번역서, 대중 과학 교양서, 시사평론을 넘나들며 전방위적인 과학 글쓰기를 몸소 실천하고 있는 이종필 교수는 상대성이론을 이해하는 데 쉬운 길이 있다고 속여서는 안 된다고, 상대성이론을 한방에 이해할 수 있는 비법은 없다고 이야기한다. 과학이 인류 역사상 가장 성공적인 학문이 될 수 있었던 이유는 오랜 세월에 걸쳐 쌓아올린 인간 지성의 결정체이기 때문이다. 그러므로 이 책은 상대성이론을 쉽게 가르쳐주겠다고 독자를 유혹하지 않는다. 대신 자연의 언어인 수학이 어떻게 우주의 기본 원리를 설명하는지를 체험하게 해준다. 독자들에게 현대물리학을 이해할 수 있는 토대가 될 생각 회로를 바꿀 수 있는 특별한 경험을 선사하는 것이다. 이 책의 가장 큰 특징은 다른 책들과는 달리 친절하면서도 깊이 있는 이야기와 함께 자연의 언어, 즉 수학으로 상대성이론을 기술한다는 것이다.



'광속'으로 이해하는 특수상대성이론

- 자연의 언어로 우주의 법칙을 이해하라!

상대성이론을 한 마디로 정리하자면 '광속'이라는 우주 본연의 언어로 자연의 법칙을 다시 기술하는 이론'이다. 아인슈타인 이전까지는 시간과 공간으로 광속을 이해했다면 이제는 광속을 중심에 놓고 그 결과가 시간과 공간에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴봐야 한다. 즉, 자연의 언어로 인간의 언어를 거꾸로 해석해야 한다는 뜻이다.

우리가 상대성이론을 이해하기 어려운 이유는 인간의 경험과 상식을 넘어서기 때문이다. 우리의 생각 회로와 직관력은 수백만 년에 걸친 진화를 통해 생존에 유리한 방식으로 발달해왔다. 그렇기 때문에 자연의 근본원리를 단박에 꿰뚫어 보는 데에는 서툴 수밖에 없다. 끈이론의 창시자 중 한 사람인 레너드 서스킨드는 "현대물리학을 이해하려면 생각의 회로를 재배선해야 한다"고 이야기하기도 했다. 이 책을 통해 독자들은 인간의 언어가 아닌 자연 본연의 언어, 즉 수학이 어떻게 우주의 기본 원리를 기술하는지를 체험하게 될 것이다.

『빛의 속도로 이해하는 상대성이론』은 이종필 교수가 상대성이론을 어려워하는 학생들에게 고등학교 물리교과서를 해설한다고 생각하며 쓴 책이다. 수식도 꽤 많이 나오고, 고등학교 과정에서 배우는 미적분으로 물리학을 다시 기술하는 방식이 어렵게 느껴질 수도 있다. 하지만 이 책을 다 읽고 나면 이러한 방식이 상대성이론을 이해하는 데 큰 도움이 되었고, 지적 호기심을 자극해 과학을 좀 더 제대로 공부하고 싶다는 생각을 하는 자신을 발견하게 될 것이다. 기본적인 원리에 가장 충실한 방법이 가장 쉽게 이해할 수 있는 길이기 때문이다.

프롤로그 … 006

1. 갈릴레오, 상대성이론의 원조

아인슈타인과 갈릴레오 … 014

정지해 있다는 것 vs 움직인다는 것 … 019

갈릴레오 이전과 이후 … 024



2.뉴턴역학의 기본

과학을 설명하는 언어, 수학 … 028

미적분으로 표현하는 물체의 운동 … 035



3. 빛, 광속, 그리고 에테르의 수수께끼

빛은 입자일까, 파동일까? … 054

역사상 가장 유명한 '실패' 실험 … 062



4. 아인슈타인의 등장

아인슈타인의 세계 = 물리학 + 연인들 … 068

혼란 뒤에 숨은 것 … 074

특수상대성이론의 두 가지 전제조건 … 077

똑같음의 새로운 기준 … 081



5. 인식의 혁명-시간과 공간의 변화

하나로 맞물리는 시간과 공간 … 088

동시에 일어났지만 동시가 아니었다! … 093



6. 시간은 느려지고 길이는 줄어들고

기차 사고실험 … 100

상대성이론의 증거들 … 107



7. 스페셜 이슈 _ 쌍둥이 모순과 사다리 모순

어느 쌍둥이가 나이를 더 먹나? … 114

아무리 긴 사다리라도 거뜬히 들어가는 창고 … 119



8. 로렌츠 변환과 민코프스키 시공간

로렌츠 변환식을 이끌어 내 보자 … 126



9. 1+1≠ 2

광속으로 날아가며 빛을 보다 … 136

광속보다 빠른 물체가 있을까? … 142



10. 인류 역사상 가장 유명한 공식

질량 - 에너지 등가 원리 … 150

연쇄 핵분열의 위력 … 154



11. 스페셜 이슈 _ E = mc²

E=mc² 유도하기 … 162

이종필 저자 이종필

1971년 부산에서 태어났다. 1990년 서울대학교 물리학과에 입학해 2001년 같은 대학원에서 입자물리이론으로 박사학위를 받았다. 이후 연세대학교, 고등과학원, 고려대학교 등에서 연구원과 연구교수로 재직하였고 2016년 3월부터 건국대학교 상허교양대학에서 조교수로 재직하고 있다. 저서로는 『물리학 클래식』 『이종필의 아주 특별한 상대성이론 강의』 『사이언스 브런치』 등이 있고, 번역서로 『최종 이론의 꿈(Dream of a Final Theory)』 『블랙홀 전쟁(The Black Hole War)』 『스티븐 호킹의 블랙홀』 등이 있다.