상대성이론

(사고실험을 통한 상대성이론의 이해)

고등학교때 물리선생님 별명이 "제물포"였다. 별명의 배경의 "쟤때문에 물리 포기했어"였지만, 물리학이라는 학문이 누구나 쉽게 다가가기는 어려운 분야라는 것도 큰 역할을 했을 것이다.

당시 수능에서는 물리,화학,지구과학,생물중에 한과목만을 선택하여 시험을 치를 수 있었는데 우리학교에서 물리를 선택한 친구는 전교에서 10명이 채 안되었으니, 우리학교 이과 학생들에게 물리학이란 정말 공포의 학문이었다고 생각한다.

그러나 사회생활을 하면서 주입식 공부에서 벗어나 보니, 과학이 참 논리적이고 재미있는 학문이라는 생각이 들기 시작한다. 그래서 관련된 서적들도 많이 읽고 나름대로 지적인 욕구를 충족하며 즐겁게 공부하고 있는 중이다. 그러던 중 만난 '상대성이론'은 꼭 넘어야 할 산같이 느껴지는 것도 사실이지만, 많은 도움이 될 것 같다는 느낌이 든다.

이 책은 '사고실험'을 통해 상대성이론을 물리적, 기하학적, 직감적으로 이해 할 수 있도록 도와 주는 책이다. 그럼에도 불구하고 비전공자에게 쉬운 책은 아니라고 생각된다. 개인적으로도 책을 읽다가 몇번이나 막혔지만, 통독을 한다는 생각으로 이해가 되지 않더라고 끝가지 읽어보았다. 

책에서는 '사고실험'(마치 경제학의 가정과 같은 개념)과 실험을 그림으로 표현하여 통해 빛이 휘고, 시공간이 휘어지는 개념을 시각적, 직감적으로 잘 설명하고 있다. 그러나 한번 읽고 물리적으로 잘 이해가 되지는 않는다. 개념은 이해가 되지만 그 개념을 풀어나가는 방식이 이해가 되지 않을 때의 답답함을 이라고나 할까?

그럼에도 '사고실험'을 통해 이론을 접하니, 머리속에서 이론이 머무르는 느낌이 든다.

책의 구성은 다음과 같다.

제1장 빛, 물질과 에너지

제2장 빛, 시간, 질량과 길이

제3장 빛, 전자와 전기

제4장 가속과 관성질량

제5장 관성과 중력

제6장 등가원리

제7장 질량의 중력 발생 방법

제8장 아인슈타인의 중력방정식을 푼다

제9장 일반상대성이론의 활용

목차만 봐도 머리가 핑글핑글하지만, 일반인이 보기에 아주 난해한 개념은 아니다. 특별히 과학이론에 대해서 지적인 유희를 느끼고 싶은 비전공자나 초보자라면 몰두해서 즐겁게 읽어볼 만한 책이라는 생각이다.

본문의 내용을 일부 인용하면,

빛은 '공기'같은 매질을 필요로 하지 않는다. "빛은 진공에서도 똑같이 움직인다" 이 속도는 우주상수의 하나인 'c'로 표기한다.(중략) 이것이 '상대성이론의 출발점'이다.

정지질량이라도 운도에너지를 가질 수 있다. 그렇다면, '순수한 에너지', 다시 말해 정지질량을 갖지 않는 에너지도 존재할까? 말일 있다고 해도 우리 곁에 머물러 있을 수 없다. 왜냐하면 정지질량을 갖고 있지 않기 때문에 정지한다면 아무것도 남지 않기 때문이다. 그런데 지금까지 여러번 언급한 '빛'은 그야말로 순수한 에너지다. 우리가 아무리 빨리, 어떤 방향으로 움직여도 빛은 언제나 광속 c로 움직이고 있고, 그것은 멈추지 않는다. 다시 한 번 강조하건대 이러한 실험적인 결과가 상대성이론의 출발점이었다.

'빛은 순수한 에너지'이기 때문에 멈추지 않고 언제까지나 속도 c로 움직인다.

'질량은 에너지의 하나'다 "에너지도 질량을 갖는다." 따라서 상대성 이론에 의하면 에너지를 질량으로, 질량을 에너지로 변환할 수 있다. 이것을 질량과 에너지의 등가라고 한다. 

(공식으로 고쳐쓰면 E=mc2)

물채의 질량이 크면 클수록 그 근처에서의 중력도 커진다. 줄력이 커지면 빛의 경로는 더 많이 휘어지고, 시간은 더욱 느리게 진행하며, 물체의 질랴은 더욱 커진다. 질량이 어느 수준 이상 커지면 위로 향하는 빛조차 달아나지 못하도록 다시 흡수된다. 그 같은 질량을 가진 천체를 '블랙홀'이라 하며, 그 영역의 경계가 되는 구면을 '지평면'이라 부른다. 어떤 물체라도 밖에서 지평면 또는 블랙홀로 행할 수 있지만, 안에서는 그 어떤 것도 밖으로 나올 수 없다.

우주선으로 지평면을 향해 다가간다고 가정해보자. 블랙홀에서 충분히 떨어져 있는 곳에서 관측하는 우리의 고유시간에 의하면 우주선의 시간은 점차 느려진다. 우주선이 지평면에 도달하면 우리의 고유시간에 의해 우주선의 시간은 멈추고 만다. 따라서 우리는 우주선이 지평면 안으로 들어가는 것을 볼 수 없다. 그러나 우주선을 타고 있는 우주 비행사가 볼 때는 우주선에서는 전혀 이상한 일이 일어나지 않는다. 그들은 그대로 지평면을 통과한다. 왜냐하면 등가원리에 의해 자유낙하하는 물체는 관성운동 상태와 같기 때문이다. 

상대성 이론은 현재 2009 개정 교육과정에 의해 물리I에 들어와 있고

그 덕에 많은 물리 포기자들을 양산하고 있다.

사실 물리I 교과서에서 상대성 이론이 차지하고 있는 양만으로는 

일반 상대성 이론은 커녕, 특수 상대성이론 조차 이해하기 힘들지 않을까 생각한다.

나 자신도 상대성이론 강의를 듣는 중에 대학교재가 너무 난해해서 따라가기 어려웠다. 

그러던 차에 이 책을 접하게 되어 읽게 되었다.

비록 강의 방향과 완전히 일치하는 것은 아니었지만, 이 책의 참고문헌에 배우고 있던 대학교재도 들어가 있던 까닭인지

결과적으로 많은 도움을 받았다고 생각한다.

나는 이런 맥락속에서 상대성 이론의 정체를 조금이라도 제대로 알고 싶다고 생각하는 사람에게 이 책을 추천하고 싶다.

물론 이책을 본다고 특수 상대성 이론을 다 이해할 수 있다고 장담할 수 없다.

하지만 이 책은 알아보기 쉬운 그림과 수학적 수식을 최소화한 서술위주의 설명으로

상대성 이론을 친숙하게 "읽어" 나아 갈 수 있게 하고 있다.

이 책에서 가장 마음에 들었던 점은, 예전에 배웠던 내용이 헷갈리게 될 즈음이면

그 근처에는 항상 앞에 그림 XX.X(p. yy)와 같은 식으로 앞으로 돌아가서 참고해야할 부분이나

다음 단계 이해를 위한 내용이 기재되어 있어 혼란을 해결하고 새로운 계단을 올라가게 해 주었던 점이다.

또한 일본에서 출판된 『イメージできる相対性理論』의 번역본인데도

이전의 다른 책들에서 종종 보이던 번역의 오류나, 오타가 거의 없었다.

사소한 오타이긴 하지만 굳이 꼽아보자면 

p.84에 끊임없이를 끊인없이로 싣거나

p.163에 식 복사 붙여넣기 과정에서 2가 약분되어 지워야 함에도 안지운정도 ...

초등학생 수준이라도 독자가 교정하고 넘어갈 정도라 생각된다.

유일하게 생각나는 단점이라면, (나 자신의 독자로서의 능력 미달일 수 있지만...)

얇은 책이라고 생각해서 읽기 시작했지만 자꾸 앞으로 돌아가서 다시 보고 와야해서 읽는데 시간이 꽤나 오래걸리는 점이다.

이 책을 읽고 이 글을 적고 있는 나 자신도 아직 상대성 이론은 완벽하게 안다고 할 수는 없지만

그래도 이제는 상대성이론이 무엇에 대한 학문인지는 알게 된 것 같다.

상대성 이론을 이해하려다 실패한 적이 있다면, 이 책을 통해 상대성이론에 다가가 보자.