‘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.