어떤 종류의 에너지라도 물리세계에서는 손실되지 않고 다른 종류의 에너지로 변환할 수 있다는 사실은 이미 오래전부터 많은 실험을 통해 밝혀졌다. ‘에너지’라는 개념이 확립하기까지 100년이 넘는 세월이 걸렸다. 그런데 열, 전기, 자동차 주행은 왜 같은 에너지를 갖는 것일까? 물리학자들은 어떤 실험에서든 어떤 종류의 에너지도 다른 종류로 변환할 수 있고, 에너지 자체는 사라지지 않으며, 무에서는 아무것도 발생하지 않는다는 것을 발견했다.
‘줄joule’은 에너지를 표시하는 단위다. 1줄은 초속 1m로 운동하는 2㎏ 정도의 물질이 갖는 운동에너지다.
1줄의 에너지는 여러 가지 다른 종류의 에너지로 변환할 수 있지만, 1줄의 에너지 자체는 그대로다. 이것은 실험 결과 얻은 것으로 이론적으로 증명할 수는 없지만 물리학적으로는 다음과 같이 정리할 수 있다.
“에너지는 보존된다.”
에너지의 종류는 변환할 수 있지만, 창조도 파괴도 할 수 없다.--- 「에너지」

콩이 가진 에너지는 어떻게 측정할 수 있을까? 콩이 나아가는 궤도에 벽을 설치한다. 콩이 벽에 충돌하면 그 파손 상태로 에너지를 산정할 수 있다. 벽에 뚫린 구멍이 크면 클수록 콩이 가지고 있던 운동에너지는 크다. 두 배로 강력한 로켓을 사용하면 구멍도 두 배로 커진다. 본래의 로켓이 콩을 광속의 99%까지 가속시켰다고 가정해보자. 그러나 두 배로 강력한 로켓으로도 콩을 광속의 99.9%밖에는 가속시킬 수 없다. 결과적으로 속도는 그다지 증가하지 않는다.
콩의 운동에너지가 속도에 그다지 영향을 주지 않는다면 운동에너지는 콩 내부의 어디에 있는 것일까? 물체의 속력이 증가하면 물체의 질량도 점점 증가한다.
바꿔 말하면, 물체는 어떤 종류의 에너지이든 많이 가질수록 더 큰 질량을 가지고 있다고 할 수 있다. 따라서 “질량 자체가 에너지의 한 종류일까?”라는 의문이 생긴다.
그렇다면 정지해 있는 돌의 운동에너지는 어디에 있는 것일까?--- 「질량과 운동에너지」

여러 가지 종류의 에너지는 서로 변환할 수 있는데, 만일 질량 자체가 에너지의 한 종류라면 운동하지 않는 물체의 ‘정지질량’도 다른 종류의 에너지로 변환할 수 있을까? 지금까지 정지질량은 돌처럼 ‘꼼짝하지 않는’ 것으로 생각해왔다. 그러나 돌을 구성하는 전자나 양성자는 끊임없이 움직이고 있다. 이 입자들은 돌이 정지해 있어도 정지해 있지 않다.--- 「정지질량과 운동에너지」

사고실험으로 시간과 길이의 관계를 좀 더 자세히 알아보자. ‘막대와 창고’라는 유명한 예제다. 얼핏 보기에 빛과는 전혀 상관없어 보이는 1개의 막대가 창고에 들어갈 수 있도록 줄어든다는 이야기다.
먼저 막대를 창고에 넣는다. 막대는 창고보다 길다. 창고에는 전동식 문이 있는데, 왼쪽에는 앞문, 오른쪽에는 뒷문이 설치되어 있다. 우선 그림 2.7에서 움직이지 않는 막대가 창고보다 길다는 것을 확인하자.
우리는 창고 한가운데에 서 있다. 그리고 어떤 사람이 일단 막대를 창고에서 밖으로 꺼냈다가 다시 빠른 속도로 왼쪽에서 오른쪽으로 창고 안을 통과한다. 2.4절에서 설명했듯이, 수축에 의해 창고에 대하여 막대가 충분히 빨리 움직이면 막대는 창고보다 짧아진다. 우리는 아주 적당한 타이밍에 왼쪽과 오른쪽 문이 ‘동시에’ 아주 짧은 시간 동안 닫혔다가 곧 열리도록 설정하였다. 그러면 그림 2.8과 같이 매우 짧은 시간 동안 막대는 완전히 창고에 들어간다.
그런데 막대를 운반하는 사람은 무엇을 보는 것일까? 운반하는 사람에 대하여 창고는 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이고 있다. 즉 창고는 좀 더 짧아졌다. 따라서 운반하는 사람에 대하여 막대는 창고에 들어갈 수 없어야 한다. 어째서 막대는 짧은 시간에 양쪽 문이 닫힌 창고에 들어갈 수 있을까?
그것이 의미하는 바를 그림 2.9에 나타냈다. 막대를 운반하는 사람에 대하여 처음에 오른쪽 뒷문이 닫혔다가 곧 다시 열린다. 그런 다음 열려 있던 왼쪽 앞문이 닫혔다가 다시 열린다.
문이 닫힐 때 문에 달려 있는 플래시램프가 1회 점멸한다고 가정해보자. 우리는 창고 한가운데에 서 있다. 양쪽 문에 달린 플래시램프에서 나온 빛은 우리를 향해 광속 c로 다가온다. 따라서 양쪽 문의 빛은 ‘동시에’ 우리에게 도달한다. 즉 우리가 볼 때 양쪽 문은 ‘동시에’ 닫힌다.
막대를 운반하는 사람에 대해서도 양쪽 문에서 나온 빛은 같은 속도 c로 움직이는데, 운반하는 사람은 오른쪽 문을 향해 움직이고 있기 때문에 오른쪽 문에서 나오는 빛을 먼저 본다. 즉 오른쪽 문이 닫히는 것을 왼쪽 문이 닫히는 것보다 빨리 본다. 운반하는 사람에 대하여 오른쪽 문은 왼쪽 문보다 앞서 닫혔다가 열린다. 따라서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

서로 다른 장소에서 사건이 일어날 때
‘동시’ 또는 ‘시각’은 절대적인 것이 아니라
관측하는 시계의 상대속도에 따라 달라진다.

『상대성이론』은 알베르트 아인슈타인이라는 천재가 물리학에 혁명을 일으킨 특수상대성이론, 일반상대성이론을 초등수학만으로도 충분히 이해할 수 있도록 설명해놓은 책이다. 『상대성이론』은 상대성이론의 방정식과 그 방정식들의 중요한 해 그리고 시간과 공간의 곡률을 나타내는 일반상대성이론인‘아인슈타인의 중력방정식’도 쉽게 풀어 설명한 만큼 중력이론을 가장 간단히 이해할 수 있을 것이다. 또한 수많은 ‘사고실험’을 통해 물리학자들이 어떻게 모델을 만들고 답을 찾아내는지를 설명해 흥미와 재미를 높였다! <br/><br/>전공학생들을 가르치며 물리에서 꼭 알아야 할 상대성이론에 대해 누구나 쉽게 이해할 수 있는 방법을 찾던 저자는 누구나 알고 있는 사물과 그것을 이용한 예들을 통해 아인슈타인의 상대성이론을 그림으로 설명하고 있다. 때문에 학교 수업을 통해 배운 초등수학만으로도 상대성이론을 이해할 수 있도록 구성한 만큼 『상대성이론』은 그 어떤 책보다도 쉬운 것이 특징이다. 또한 『상대성이론』은 다음과 같이 구성되어 있어 좀더 중점적으로 이해하고자 하는 내용을 찾아 공부할 수 있는 것도 특징이다. 특수상대성이론에 대해 설명한 제1장부터 제4장에는 빛과 물질, 공간, 시간의 관계를 명확히 이해하도록 했다.<br/><br/>제1장에서는 기초적인 이야기에서 시작하여 물질과 에너지가 동일하다는 것까지 설명한다. 제2장에서는 왜 시간과 길이가 상대적인지에 대하여 설명한다. 제3장에서는 일상에서 흔히 볼 수 있는 전선이 상대성을 확인할 수 있는 실제 사례라는 것을 설명한다. 제4장에서는 회전목마를 탈 때 학교에서 배운 기하학이 무용지물이 되는 이유에 대해 설명한다. 제5장부터 제9장까지는 ‘중력’, 즉 일반상대성이론에 대해 설명했다. 제5장에서는 지구의 ‘중력’이 우리를 끌어당기는 것이 아니라 시공간의 곡률에 의한 것임을 설명한다. 제6장에서는 시공간의 곡률이 발생시키는 효과에 대해 자세히 설명한다. 제7장에서는 널리 알려진 ‘아인슈타인의 중력방정식’의 의미와 그것이 왜 ‘가장 간단한’ 중력이론인지에 대해 설명한다. 제8장에서는 아인슈타인의 중력방정식을 쉽게 푸는 방법을 설명한다. 제9장에서는 이 해를 이용하여 일반상대성이론이 제기한 예측들을 소개한다. 예를 들면, 태양 부근을 지나는 빛은 어느 정도 휘는가, 블랙홀의 크기와 무게는 얼마나 되는가, 행성의 궤도는 왜 휘는가, 그리고 우주에는 ‘빅뱅’이 있고 우주의 미래는 불분명하다는 것에 대해 설명한다. 10장에서는 결론을 내리고 11장에는 꼭 알아두어야 할 상대성이론과 관련된 공식 등을 소개하고 있다. 때문에 어렵게만 느껴지던 상대성이론을 이 책에 소개된 수많은 예와 그림을 통해 쉽게 이해할 수 있을 것이다!