[네이버 연재로 먼저 만난 독자의 반응]
“와 기훈의 시간을 알 수 없다는 게 소름, 충격!”_용띠아줌마
“상대성이론 관련 지금까지 본 글 중 가장 이해하기 쉽고, 아름답게 쓰신 것 같습니다. 다음 편이 벌써 기다려집니다.” _워니둘
“새벽까지 읽고 있는 독자입니다. 너무 재밌어요. 문과생 출신에게 이렇게 재밌는 물리 수업을 해 주시다니, 이 깔끔한 설명들 정말 감동적이에요.” _닉네임 겁나겹쳐
“영화나 웹툰 저리 가라 재밌네요. 소설책 읽는 것처럼 재밌고 흥미진진해요.”_음메켈리
“아예 공간의 변화와 시간의 변화를 연결해서 생각해야 했네요. 지금까지 배운 내용 중 가장 충격적으로 새로운 시야가 열린 기분입니다.” _몽환포영
“움직이는 큰 빙하에서 공을 던지는 것에서 마음이 납득됐어요.” _너비아니
“교수님 글을 읽으니 나이 40을 훌쩍 넘긴 이 나이에도 호기심이 샘솟네요.” _Dedication

이 책은 특수상대론을 일반인의 눈높이에서 알기 쉽게 설명하기 위해 썼습니다. 하지만, 그것이 유일한 목적은 아닙니다. 책을 쓴 가장 근본적인 의도는 특수상대론을 통해 독자가 물리학 연구를 직접 체험하게 하는 것입니다. 관람이나 견학, 시찰, 혹은 간접 체험이 아니라 시작부터 끝까지 물리학자처럼 생각하고 물리학자처럼 결론에 도달하는 완결된 직접 체험입니다. 이런 온전한 체험이 우리가 살고 있는 세상을 과학의 눈으로 새롭게 바라보는 계기가 될 수 있기 때문입니다. _머리말에서

이 책은 〈네이버 프리미엄콘텐츠〉에서 인기리에 연재되었던 글을 엮은 것으로, 연재 당시 독자들의 반응과 질문을 반영해 표현을 다듬고 내용을 보완했다. 전체 47개의 글을 주제에 따라 여섯 개의 장으로 나누어 묶었으며, 각 장의 끝에 [토론]을 두어 남아 있는 의문점과 추가 논의를 다루었다. 몇 가지 심화 내용은 부록으로 덧붙였다.

Ⅰ장. 특수상대론을 만나기 위한 짧은 준비
특수상대론은 일상 경험을 통해 획득한 상식적 시간과 공간의 개념을 뒤집는 이론이다. Ⅰ장에서는, 특수상대론을 본격적으로 설명하기에 앞서 상식적 시간과 공간의 개념을 정리한다. 우리의 일상 경험에 따르면 우주에는 하나의 절대적인 시간이 흐르고 있다. 세상 어디에서든 시간은 1초, 1초 똑같이 흘러가고, 따라서 나의 1초는 너의 1초와 같다.

Ⅱ장. 빛의 속도와 관성계
특수상대론은 두 가지 가정을 바탕으로 한다. 첫째는 모든 관성계가 동등하다는 ‘특수 상대성 원리’이고, 둘째는 빛의 속도가 모든 관성계에서 일정하다는 ‘광속불변의 원리’이다. Ⅱ장에서는, 어디선가 많이 들어 익숙한 이 두 가정의 진정한 의미가 무엇인지 알아본다. 광속의 99%의 속도로 달리는 우주선에서 보아도 빛의 속도는 똑같을까? 빛의 속도가 늘 같다는 사실이 왜 놀라울까? 왜 빛의 속도만 그렇게 특별한가? 여러 의문에 답을 찾을 수 있다.

Ⅲ장. 시간
위의 두 가지 가정을 바탕으로 본격적으로 특수상대론의 여러 효과를 설명한다. 나에게 동시에 일어난 사건이 일정한 속도로 움직이는 사람에게는 동시가 아닐 수 있다는 동시성 파괴, 움직이면 시간이 천천히 흐른다는 시간팽창을 알아본다. 이제 우리는 모두 자신만의 자와 시계를 갖고, 나의 1년이 너에게는 1시간이 될 수도 있다는 사실을 이해하게 된다. 정밀한 원자시계를 비행기에 태우고 각각 동쪽과 서쪽으로 여행하여 시간팽창 효과를 검증한 1960년대 실험 결과도 확인할 수 있다. 오늘날에는 휴대전화 지도 앱에서 자신의 위치를 확인할 때마다 우리 모두가 상대론의 검증에 동참하고 있다! GPS의 원리에 시간팽창 효과가 들어 있기 때문이다.

Ⅳ장. 시간 여행
시간팽창을 기반으로 쌍둥이 역설을 알아보고, 미래로의 시간 여행이 가능할 뿐 아니라 현실에서 항상 일어나는 일임을 이해한다. 과거로의 시간 여행은 불가능하다는 것도 확인한다. 이번 장에서는 서기 2980년에 태어난 쌍둥이 기훈과 지영, 그리고 마침내 광속의 99% 속도로 움직이는 우주선이 개발된 서기 3000년의 이야기가 펼쳐진다. 브라이언 메이의 노래 〈‘39〉의 가사를 음미해 보는 시간도 준비되어 있다.

Ⅴ장. 시공간
특수상대론에 따르면 공간에서도 길이수축 효과가 나타나기 때문에 시간과 공간이 통합되어야 하는데, 그것을 ‘시공간’이라고 한다. Ⅴ장에서는 특수 제작된 신장계와 상대론적 ‘오징어 게임’을 통해 길이 수축을 알아보고, 시공간 그림을 이용해 물리학자가 이해하는 방식으로 과거, 현재, 미래, 그리고 ‘딴곳’의 개념을 살펴본다. 원리적으로 불가능하지만 ‘만약에’ 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 물체가 있다면 그것이 왜 과거로 가는 타임머신이 될 수 있는지도 이해한다.

Ⅵ장. E\u003dmc²
과학에서 가장 유명한 방정식인 E\u003dmc²이 어떻게 나오는지 직접 유도해 보고, 이를 통해 질량과 에너지의 동등성을 이해한다. 핵발전과 핵폭탄의 원리, 특수상대론을 통해 물질의 존재 양식을 어떻게 이해할 수 있게 되었는지도 알아본다. 물리학의 전체 지형에서 특수상대론의 위치를 확인하고, 일반상대론, 고전역학, 양자역학과의 관계도 살펴본다.

머리말: 과학으로 세상을 이해한다는 것 7
들어가는 말: 특수상대론의 특별함 17

Ⅰ. 특수상대론을 만나기 위한 짧은 준비
1강. 바람맞은 약속, 그리고 시간과 공간 25
2강. 일상에서 속도 더하기: 1차원 31
3강. 일상에서 속도 더하기: 2차원 37
[토론] 달리는 차에서 밖으로 던진 쓰레기의 행방 44/ 열린 공간과 닫힌 공간은 다르다? 46

Ⅱ. 빛의 속도와 관성계
4강. 빛의 속도, 그 심오함에 관하여 51
5강. 상식적 시간과 공간의 붕괴 60
6강. 누가 정지해 있고 누가 움직이는가 68
7강. 관성계와 특수상대론의 두 가지 가정 77
[토론] 빛의 속도는 왜 특별한가 86/ 일반상대론에서도 빛의 속도는 항상 c인가 87/ 상대론적 속도의 덧셈 88

Ⅲ. 시간
8강. 너의 시간과 나의 시간은 다르다 93
9강. 광속 불변이면 절대적 동시는 없다 101
10강. 시계와 자, 그리고 좌표계 109
11강. 빛으로 시간을 재는 법 117
12강. 시간 팽창, 그 필연적 이유 124
13강. 시간 팽창 공식 130
14강. 움직이면 진짜 시간이 느리게 흐른다 136
15강. 시간은 얼마나 느려질 수 있는가 143
16강. 시간 팽창 효과의 검증: 뮤온 붕괴 150
17강. 서쪽으로 간 비행기의 시간이 빨라진 까닭은 156
18강. 지구 자전 및 중력과 시간의 흐름 161
19강. GPS의 원리와 광속 불변 168
20강. GPS와 시간 팽창 176
[토론] 빛시계의 길이 변화 183/ 빛시계를 눕혀서 사용할 수는 없는가 183/ 사고 실험과 물리적 통찰 184

Ⅳ. 시간 여행
21강. 쌍둥이 역설: 서기 3000년의 어느 날 189
22강. 미래로 시간 여행을 하는 방법 197
23강. 시간 여행의 실제 202
24강. 과거로의 시간 여행은 가능한가 208
25강. 시간 여행의 물리학 215
[토론] 쌍둥이 역설 비틀어보기 222/ 공간이 무한히 긴 직선이 아닐 때의 쌍둥이 역설 223/ 과거로의 시간 여행이 불가능하다는 결론은 얼마나 믿을 수 있는가 224

Ⅴ. 시공간
26강. 움직이면 길이가 줄어든다 229
27강. 특수상대론적 ‘오징어 게임’ 235
28강. 특수상대론의 종합 효과 242
29강. [퀴즈] 두 기차역과 기차의 특수상대론 250
30강. [퀴즈의 답] 두 기차역과 기차의 특수상대론 257
31강. 시간과 공간에서 4차원 시공간으로 265
32강. 시공간 그림을 그리자 272
33강. 빛의 세계선과 시공간 그림 279
34강. 시공간 그림 그리는 법 287
35강. 시공간, 물리학자처럼 이해하기 294
36강. 과거, 현재, 미래, 그리고 ‘딴곳’ 303
37강. 초광속이면 타임머신이 되는 이유 312
[토론] 시공간 그림과 로런츠 변환 320/ 두 기차역과 시계 문제를 시공간 그림으로 그려 보기 321

Ⅵ. E\u003dmc²
38강. 운동량 보존법칙 327
39강. 새로운 운동량을 찾아서 338
40강. 상대론적 운동량 346
41강. 정지질량의 합은 보존되지 않는다 351
42강. 왜 E\u003dmc²인가 356
43강. E\u003dmc²의 의미 363
44강. 질량·에너지 동등성 370
45강. E\u003dmc²과 핵폭탄 379
46강. E\u003dmc²과 반물질 390
47강. 특수상대론을 넘어 399
[토론] 보존법칙은 늘 성립할까?_뇌터의 정리 404/ 빛의 에너지와 운동량, 그리고 양자역학 405/ 특수상대론의 응용 407

맺음말: 놀이동산에서 나오며 412

〔부록〕 로런츠 변환 유도 415/ 상대론적 속도의 덧셈 공식 유도 418/ 반물질의 존재 419