문과생도 이해하는 E=mc2

고중숙 지음

꿈꿀자유 2018년 12월 19일 출간 종이책 : 2017년 10월 01일 출간

작품소개

책소개

문송할 것 없다, 이 책을 읽어라!

아인슈타인이란 이름을 들어보지 않은 사람은 없다. 아인슈타인하면 상대성이론, 상대성이론하면 E=MC2이다! 그런데 이 식은 도대체 무슨 뜻일까? 시간이 뭔지 모르는 사람은 없다. 공간도 마찬가지다. 하지만 대부분의 사람은 시간과 공간의 본 모습을 모른 채 평생을 살아간다. 시간은 누구에게나 일정한 속도로 흐르며, 공간은 텅 빈 채 균질한 상태로 놓여 있다고 생각한다. 물질은 물질, 에너지는 에너지라고 생각한다. 그렇지 않다면 어떨까? 시간이 누구에게나 항상 일정한 속도로 흐르는 것이 아니며, 공간은 휜 상태로 존재하고, 에너지와 물질은 동등하다면?

이 책은 중학과정(!)을 정상적으로 공부한 사람이라면 누구나(심지어 문과 출신도!) E=MC2이라는 수식과 상대성이론을 이해할 수 있도록 쉽게 풀어 쓴 교양과학서다. 고전물리학, 수학 등 필요한 도구는 모두 책 속에 있다. 이해하려는 의지와 약간의 시간, 종이와 펜만 준비하면 된다. F=ma에서 E=mc2이 마법처럼 유도되는 순간, 세상과 우주가 전혀 다르게 보일 것이다.

목차

머리말

제1장 길잡이
1. 결과부터 살펴볼까요?
2. 필요한 것 - 수학과 물리, 그리고 마음 자세

제2장 기초 다지기 - 뉴턴의 운동법칙
1. 출발점： F = ma
(1) 제1법칙：관성법칙
(2) 제2법칙：가속법칙
(3) 제3법칙：작용반작용법칙
[쉼터] 뉴턴： 최고의 과학자·수학자, 최후의 연금술사

제3장 힘과 에너지
1. 힘
2. 운동량
3. 일과 에너지
(1) 일
(2) 에너지
[쉼터] 국제단위계

제4장 수학여행
1. 벡터
(1) 벡터의 기본 개념
(2) 벡터의 연산
[쉼터] “속도”와 “속력”
2. 미분
(1) 미분의 기본 개념
(2) 미분의 의미
(3) 미분표
(4) 함수곱의 미분
3. 적분
(1) 적분의 기본 개념과 의미
(2) 미적분의 기본정리
(3) 적분표
(4) 부분적분
4. 하나만 더： 합성함수 미분
[쉼터] 우리 교육 과정의 통합과 개혁

제5장 물리학의 역사
[쉼터] “계”에 대하여

제6장 변화와 보존(I) - 운동량과 에너지
1. 운동량보존법칙
2. 에너지보존법칙
(1) 역학적 에너지보존법칙
(2) 일반적 에너지보존법칙
[쉼터] 운전대만 잡으면
(3) 퍼텐셜의 이해
[쉼터] 중력위치에너지의 기준점

제7장 변화와 보존(II) - 열역학
1. 제0법칙： 열평형법칙
2. 제1법칙： 에너지보존법칙
3. 제2법칙： 엔트로피증가법칙
4. 제3법칙： 엔트로피기준법칙
[쉼터] 삶이란...

제8장 빛이 있으라
1. 빛의 본질
2. 빛의 속도
3. 빛의 종류
[쉼터] 오른손법칙과 왼손법칙
4. 맥스웰방정식
(1) 맥스웰방정식의 이해
(2) 진공광속의 유도
[쉼터] 왜 사람들은 오른손을 더 많이 쓰게 되었을까?

제9장 특수상대성이론
1. 실마리
2. 특수상대성이론의 2대 가정
(1) 가정(postulate)이란 무엇인가
(2) 상대성원리
[쉼터] 과학과 믿음
(3) 광속일정원리
(4) 안개 속의 데이트： 시공 관념의 재정립
[쉼터] 아인슈타인의 유감
3. 특수상대성이론의 4대 귀결
(1) 동시상대성
(2) 시간지연
(3) 길이수축
(4) 질량증가
4. 도착점： E = mc2
5. 특수상대성이론의 역설들
[쉼터] 아인슈타인： 최고의 과학자, 최후의 철학자

부록
1. 일반상대성이론 맛보기
2. 양자역학 맛보기
(1) 양자의 의미
(2) 이중성원리
(3) 불확정성원리
(4) 확률해석원리
[쉼터] 과학과 철학
주요 수치
찾아보기

출판사 서평

우주 최고의 불가사의는 우리가 우주를 이해할 수 있다는 것이다. ― 아인슈타인

고중숙 교수의 명저 [E=mc2] 드디어 복간!
중고책 가격이 정가의 몇 배를 호가하던 고중숙 교수의 명저 [E=mc2]이 드디어 복간되었다. 이 책은 우리가 사는 세상과 우주의 놀라운 모습을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 고전역학을 출발점으로 삼아 E=mc2이라는 식이 탄생하는 과정을 차근차근 설명한다. 그 과정에 필요한 수학적 지식까지 한꺼번에 설명하기 때문에 상대성이론을 이해하는 데 필요한 수학과 물리학의 기초를 책 한 권으로 쉽게 마스터할 수 있다.

과학이 걸어온 길과 과학자들의 생애까지!
또한, 고대 그리스부터 현재에 이르기까지 과학이 발달해 온 과정을 재미있는 에피소드나 과학자들의 생애와 함께 설명하면서 그 의미를 하나하나 짚어 음미하기 때문에 대중과학서로서도 흥미롭게 읽힌다. 고전역학과 특수상대성이론은 물론 부록을 통해 일반상대성이론과 양자역학의 기본적인 원리까지 아우르고 있어 물리학의 전반적 흐름을 잡기에도 부족함이 없다. 과학에 관심이 있는 학생들은 물론 일반인도 쉽게 읽고 현대물리학이 설명하는 우주의 비밀과 그곳에 이르기까지 수많은 천재들이 걸어온 길을 쉽게 이해할 수 있다.

문과 출신이라 수학은 영 꽝인데?
수학과 과학에 자신이 없어도 상관 없다. 언제까지 문송할 텐가? 필요한 것은 오직 종이와 펜, 그리고 이해하려는 의지와 약간의 시간뿐이다. 수식의 전개과정을 지나칠 정도로 차근차근 설명해 놓았기 때문에 그대로 따라 써 보면서 조금만 생각을 해보면 된다. 처음에는 머리가 삐걱대는 소리를 내겠지만 금방 익숙해지는 자신의 모습에 스스로 놀라게 될 것이다. 이번 생은 아니다만 되뇌지 말고 이번 생에 상대성이론만은 확실히 이해하자!

[책 속으로 추가]
P220
엔트로피증가법칙의 이론적 용도 가운데 특이한 것으로 “시간의 화살”이 있습니다. 호리병의 밸브를 열기 전후의 상태를 비교할 때, 에너지의변화는 없으므로 제1법칙만으로는 “혼합”과 “분리” 가운데 무엇이 먼저인지 알 수 없습니다. 그러나 제2법칙에 따르면 엔트로피는 항상 증가하므로 당연히 “분리”가 “혼합”보다 먼저입니다. 엔트로피증가법칙이 과거와 미래를 구별하는 기준, 곧 어떤 현상을 볼 때 어떤 상태에서 어떤 상태로 진행했는지를 판별하는 데 사용될 수 있다는 뜻입니다. 현재로서는 자연과학에서 엔트로피증가법칙만이 시간의 전후를 구별할 수 있는 유일한 법칙입니다. 운동법칙·운동량보존법칙·에너지보존법칙·만유인력법칙 등 다른 어떤 법칙으로도 현상의 전후 순서를 판정할 수 없습니다. 영국의 과학자 에딩턴(Arthur Eddington, 1882~1944)은 1928년에 엔트로피증가법칙을 “시간의 화살 time's arrow”이라고 했습니다. 현재 지식으로는 시간과 엔트로피만이 각각 “과거에서 미래로만 흐른다”와 “항상 증가한다”는 비대칭성을 드러내는 것으로 여겨집니다. 따라서 이 두 가지는 서로 긴밀하게 얽혀 있는 것 같지만 그 자세한 기정(mechanism)은 아직 모릅니다. 시간에 대해서는 “시작이 있는가?” “끝이 있는가?” “거꾸로 흐를 수 있는가?” “더 천천히 또는 더 빨리 흐를 수 있는가?” “정지할 수 있는가?” “그 본질이 무엇인가?” 등 많은 의문이 있는데, 언젠가 그 전모가 밝혀지면 시간과 엔트로피증가법칙의 관계도 보다 분명해질 것입니다.

P306
본래 하나인 빛결이 둘로 나뉘어 두 관찰자에게 각각 주어진다는 일은 있을 수 없습니다. 그럴 수 있다면, 관찰자가 셋이면 셋으로, 천 명이면 천 개로 나뉘어야 하는데, 누가 봐도 어이없는 이야기입니다. 빛결도 물결처럼 하나만 퍼져나갑니다. 하지만 “광속일정원리”를 지키려면 그림처럼 각자에게 빛결을 부여하는 수밖에 없습니다. 이 모순을 어떻게 해소할까요? 유일한 방법은 “돌이와 순이의 시간과 공간이 변형된다”고 보는 것입니다. “빛결은 분명 하나이고 나뉠 수 없는 이상, 속도가 다른 두 사람이 똑같은 모습의 빛결을 관찰하려면 두 사람의 시공이 변형되는 수밖에 없다”는 뜻입니다. 이것이 바로 “광속일정원리”의 놀라운 귀결입니다.

P377
근래

작가정보

저자(글) 고중숙

저자 : 고중숙
저자 고중숙은 서울대학교 자연대학 화학과를 졸업하고 미국 애크런대학교에서 박사학위를 받았다. 피츠버그대학교 박사후과정을 거쳐 국립 순천대학교 교수로 재직하고 명예 퇴직했다. 과학 문화의 저변 확대에 많은 관심을 갖고 다수의 저서 및 번역서를 펴냈으며, 최근에는 과학을 중심으로 삶의 전반에 이르기까지 저술 활동의 폭을 넓히고 있다.
대표적인 저서로 『고중숙 교수의 과학 뜀틀』, 『중학수학 바로 보기』, 『아인슈타인, 시간여행을 떠나다』 등이 있고, 주요 역서로 『상대성이란 무엇인가』, 『물리학 특강』, 『무 영 진공』, 『우주, 또 하나의 컴퓨터』, 『수학자는 어떻게 사고를 하는가』, 『무의 수학 무한의 수학』 등이 있다.