알기 쉬운 설명으로 1시간 만에 이해하는
세상에서 가장 쉬운 ‘상대성 이론’ 강의

《과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어》는 수학과 물리를 학원 선생님처럼 알기 쉽게 설명하며 인기를 얻은 저자가 전작 《수학은 어렵지만 미적분은 알고 싶어》에 이어 출간한 책으로, 누구나 특수 상대성 이론의 원리를 1시간 만에 이해할 수 있도록 초보자의 질문에 알기 쉽게 답하는 구성으로 정리한 책이다.
‘상대성 이론’은 20세기 초반 앨버트 아인슈타인이 발표한 매우 유명한 이론이지만 대중적으로 그 이름이 널리 알려진 것에 비해 실제 그 내용을 제대로 이해하고 있는 사람은 드문 이론이다. 저자는 전작과 마찬가지로 이 책 역시 물리나 수학에 대한 지식이 전혀 없는 일반인들을 대상으로 특수 상대성 이론의 기초를 짧은 시간에 파악할 수 있도록 1시간짜리 강의 분량에 맞춰 완성했다. 이 책을 찬찬히 읽다 보면 ‘이렇게 이해하기 쉬운 상대성 이론 설명은 지금까지 본 적이 없어!’라는 생각이 들면서 자신도 몰랐던 ‘이과 두뇌’가 눈을 뜨는 감동을 맛볼 수 있을 것이다.

‘상대성 이론’은 왜 대단한 것일까?

19세기 이전 사람들은 아이작 뉴턴의 ‘뉴턴 역학’을 이용하면 물체의 운동을 거의 정확하게 예측할 수 있다고 생각했다. 그런데 1864년 ‘맥스웰 방정식’이 발표되면서 전자기학과 뉴턴 역학 사이에 서로 모순이 발생한다는 사실이 밝혀진다. 아인슈타인은 이 모순을 ‘빛의 속도’에 대한 완전히 새로운 견해를 주장하며 해결한다. 즉 “빛은 누가 보더라도 초속 30만 킬로미터라는 똑같은 속도로 관측된다”는 ‘광속 불변의 원리’를 바탕으로 빛의 속도가 기준이 되면 ‘시간과 공간’이 달라질 수 있다고 주장한 것이다. 시간과 공간을 구별해서 생각하는 경향이 있던 당시 사람들의 고정관념을 시간과 공간 개념을 하나로 합쳐서 생각하는 상대성 이론으로 깨뜨리자 우리가 살고 있는 세상의 ‘진짜 모습’을 공부할 수 있는 길이 열리게 된 것이다. 즉 상대성 이론은 ‘시간과 공간’에 대한 당시의 개념을 뒤엎는 혁신적인 이론이었다고 할 수 있다.

중학생 수준의 수학 실력으로
이해할 수 있는 ‘특수 상대성 이론’의 원리

상대성 이론은 ‘시간과 공간’을 주제로 한 ‘특수 상대성 이론’과 여기에 ‘중력’이라는 키워드를 추가한 ‘일반 상대성 이론’으로 나눠져 있다. 저자는 이 가운데 ‘특수 상대성 이론’은 중학생 수준의 수학 실력으로도 충분히 이해할 수 있다고 말한다. 그리고 ‘피타고라스의 정리’와 ‘거리와 시간과 속도’의 관계 같은 기초적인 수학 공식으로 ‘시간의 느려짐’과 ‘공간의 줄어듦’, ‘질량과 에너지의 등가성’ 같은 특수 상대성 이론의 원리를 누구나 이해할 수 있도록 알기 쉽게 설명한다. 우리는 저자의 설명을 통해 상대성 이론이 평소 우리가 주변에서 느끼고 있는 ‘시간’과 ‘공간’의 개념을 근본적으로 바꿔놓은 획기적인 이론이었다는 사실을 이해하면서 세상을 이루는 ‘모든 것은 상대적’이라는 사실을 깨닫게 된다.

인류가 이 세상을 좀 더 깊이 있게
이해할 수 있게 돕는 물리학의 세계

상대성 이론은 이미 우리 일상생활의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 스마트폰이나 카 내비게이션에 사용되는 GPS가 그 좋은 사례이다. GPS는 자신이 지도의 어느 위치에 있는지 실시간으로 정확하게 가르쳐 주는데, 이는 상대성 이론의 ‘시간의 느려짐’을 고려해 설계한 장치이다. 또한 원자력 발전소의 원자로는 우라늄 같은 핵 원료를 방대한 에너지로 활용해서 발전하는 것인데, 이 원리의 근간에도 상대성 이론의 ‘질량과 에너지의 등가성’이 바탕이 되었다.
상대성 이론은 기존의 세계관을 근본부터 재검토하도록 만든 인류 역사상 가장 획기적인 이론이었다. 상대성 이론을 통해 현대 물리학을 이루는 기초가 만들어졌으며, 세상을 바라보는 인식의 지평을 넓히는 계기가 되기도 했다. 특수 상대성 이론의 원리를 쉽게 이해할 수 있는 이 책을 통해 시간과 공간의 개념과 우리가 살고 있는 세상의 신비로운 모습에 대해 더 깊이 생각할 수 있는 기회를 가질 수 있을 것이다.

우리가 사는 지구에서는 ‘시간은 어디에서나 일정한 속도로 흐르는 것’으로 인식되고 있습니다. 실제로 우리는 그 인식과 모순되지 않는 생활을 하고 있지요. 그래서 ‘시간이 느려진다’는 것을 직감적으로는 이해하기 굉장히 어렵습니다. 그런데 상대성 이론에서는 ‘움직이고 있는 것은 시간이 천천히 흐르는’ 현상이 확인되었고, 이에 따라 더 재미있는 사실도 밝혀지고 있답니다. - p.26 (Home Room 3. 특수 상대성 이론의 세 가지 포인트)

“빛은 어떤 관성계에서 보더라도 초속 30만 킬로미터로 나아가고 있는 것처럼 보인다”라고 말씀드렸습니다. 요컨대 설령 진행 방향이 같다고 해도 로켓의 속도와 상관없이 항상 초속 30만 킬로미터로 이동한다는 말이지요. 이것이 특수 상대성 이론의 전제가 되는 ‘광속 불변의 원리’입니다. - p.58 (제1장. Lesson 5. 빛은 ‘모든 관성계’에서 똑같은 속도로 보인다)

상대성 이론 이전에는 우주에 ‘절대시간’ 같은 것이 있어서 모든 존재는 똑같은 시간을 공유한다고 생각했었지요. 하지만 광속 불변의 원리가 성립하는 이상, ‘동시조차도 절대적이 아니라 상대적’이라는 충격적인 사실이 드러난 것입니다. - p.81 (제2장. Lesson 3. ‘동시에 일어났’지만 ‘동시가 아니다’)

‘시간의 느려짐’이 일상생활과는 조금 거리가 먼 현상으로 느껴지는 데는 분명한 이유가 있습니다. 그 이유가 뭔가요? 앞에서 예로 든 ‘V=0.8c(광속의 80퍼센트)’라는 속도 자체는 평소에는 볼 일이 전혀 없거든요. 물론 미시적인 관점에서 생각하면 꼭 그렇지는 않지만, 우리의 일상생활에서는 전무하다시피 합니다. - pp.118~119 (제3장. Lesson 2. 결국 ‘시간의 느려짐’이란 무엇일까?)

상대성 이론에서는 어느 쪽의 시간이나 공간이 절대적이라고 생각하지 않고 ‘누구의 처지에서 보는가?’에 따라 잣대를 바꿉니다. 어느 쪽의 처지에서 계산하더라도 모순이 발생하지 않는다는 것이 재미있는 점이지요. 어느 한쪽의 시간이나 공간의 개념이 절대적으로 옳은 것은 없다. 이것이 상대성 이론입니다. - pp.146~147 (제4장. Lesson 2. 결국 ‘공간의 줄어듦’이란 무엇일까?)

상대성 이론 이전의 물리학과 상대성 이론 이후의 물리학이 크게 다른 점은 ‘측정의 정밀도’입니다. 가령 “몸무게가 어떻게 돼?”라는 질문을 받으면 보통은 “60킬로그램이야”라고 대답하지요. “60.0124567킬로그램이야”라고 대답하는 사람은 없습니다. 그런 정밀도에서는 60킬로그램이 맞는 것이지요. 마찬가지로, 상대성 이론 이전의 정밀도에서는 질량 보존의 법칙이 그렇게까지 틀린 것이 아니었습니다. 하지만 시대가 흐르면서 측정 정밀도가 높아져서 엄청난 정밀도로 측정할 수 있게 되자 질량 보존의 법칙이 근사(近似)적인 것이었음을 알게 된 것이지요. - pp.157~158 (제5장. Lesson 1. ‘질량 보존의 법칙’은 사실 틀렸다?)

 

 

감수의 글
머리말

[HOME ROOM 1] 왜 상대성 이론을 공부하는 것이 좋을까?
[HOME ROOM 2] ‘중학교 수학’만 알고 있으면 상대성 이론을 이해할 수 있다!
[HOME ROOM 3] 특수 상대성 이론의 세 가지 포인트
[HOME ROOM 4] 상대성 이론을 이해하면 세상을 이해하게 된다!
[HOME ROOM 5] 상대성 이론을 이해할 때 가장 중요한 것

제1장 ‘광속 불변의 원리’란 무엇일까?
[LESSON 1] 상대성 이론은 뭐가 그렇게 대단한 것일까?
[LESSON 2] ‘빛’의 ‘거대한 수수께끼’에 도전한 아인슈타인
[LESSON 3] ‘움직이는 것끼리’의 속도를 계산하는 방법
[LESSON 4] ‘관성계’란 무엇일까?
[LESSON 5] 빛은 ‘모든 관성계’에서 똑같은 속도로 보인다
[LESSON 6] 빛의 속도로 움직이면 ‘셀카’를 찍을 수 없다?
[LESSON 7] 특수 상대성 이론의 원리

제2장 ‘동시의 상대성’이란 무엇일까?
[LESSON 1] ‘시간’과 ‘거리’는 사실 ‘절대적’인 것이 아니다?
[LESSON 2] 왜 ‘시간’이 어긋나는 것일까?
[LESSON 3] ‘동시에 일어났’지만 ‘동시가 아니다’
[LESSON 4] 결국 ‘동시의 상대성’이란 무엇일까?

제3장 ‘시간의 느려짐’이란 무엇일까?
[LESSON 1] 우리는 저마다 다른 ‘시간축’을 가지고 있다?
[LESSON 2] 결국 ‘시간의 느려짐’이란 무엇일까?

제4장 ‘공간의 줄어듦’이란 무엇일까?
[LESSON 1] 상대성 이론에서 ‘공간’은 어떻게 될까?
[LESSON 2] 결국 ‘공간의 줄어듦’이란 무엇일까?

제5장 ‘질량과 에너지의 등가성’이란 무엇일까?
[LESSON 1] ‘질량 보존의 법칙’은 사실 틀렸다?

특별 수업 - 시공도(時空圖)를 이용해 상대성 이론을 이해한다
[시공도 1] ‘시공도’란 무엇인가?
[시공도 2] 관성계에 따라 시공도가 달라진다
[시공도 3] 두 개의 시공도를 합쳐서 생각해 보자

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