상대적으로 쉬운 상대성이론

배리 파커 지음 | 이충환 옮김

양문 2006년 03월 23일 출간 종이책 : 2002년 08월 14일 출간

작품소개

책소개

뉴욕 타임즈가 극찬한 시인을 위한 물리학. 과학에 문외한이라도 아인슈타인의 이름을 모르는 사람은 없다. 그의 E=mc2이라는 공식과 상대성이론을 들어보지 못한 사람이 있을까? 하지만 정작 아인슈타인이 얼마나 엄청난 발견을 한 것 인지,그의 생애가 어떠했는지를 아는 사람은 그다지 많지 않다. 이 책은 '천재'라는 수식어 때문에 늘 어렵게만 느껴지는 아인슈타인의 생애와 과학을 친절하고 알기쉽게 설명하고 있다. 이해하기 쉬운 예와 재미있는삽화 그리고 너무나도 인간적이었던 천재에 관한 일화가 여러분을 흥미로운 물리학의 세계로 이끌 것이다.

목차

머리말-가장 즐겁고 편안한 상대성 이론 이야기 ...9

1.청년 아인슈타인 ...13

2.마이컬슨-몰리 실험 ...35
빛을 전달하는 매질 에테르.빛의 속도를 재려고 한 마이컬슨-몰리 실험.물질은 속도가
빨라질수록 작아진다.광속은 물질을 사라지게 만드는가

3.특수상대성 이론 ...53
모든 운동은 상대적이다.시간을 느리게 흐르도록 만드는 우주선.빛보다 빠르게 움직이는 것이 가능한가
2더하기 2는 4가 아니다.맥스웰의 전자기 이론.E=mc2.특수상대성이론의 중요성을 인식한 막스 플랑크

4.4차원 시공간과 시간여행
시간과 공간은 분리되어 있지 않다.시간여행의 패러독스.SF소설 속의 시간여행.
다른 별도의 여행이 가져다줄 색다른 경험.특수상대성이론이 교수직을 안겨주다

5.일반상대성 이론 ...103
구별하기 힘든 관성력과 중력.인격적인 교수 아인슈타인.특수상대성이론에 대한 확장 연구.
비유클리드 기하학과의 만남.베를린대학으로부터 교수직을 제안받다 .마침내 일반상대성이론을 발표하다

6.중력과 굽은 시공간 ...127
중력은 구부러진 공간이다 .새로운 기하학.곡률이 변하는 공간 아인슈타인의 중력.두 물체 사이에
작용하는 기조력.중력파를 찾기위한 노력.중력렌즈로 이용될 수 있는 빛의 굴절현상.
다시 생각하는 시간여행의 패러독스

7.상대론 테스트 ...151
새로운 이론을 증명한 에딩턴.아인슈타인 우주의 초공간.수성궤도의 세차.강한 중력장 안에서 느려지는시계
일반상대성이론과 유사한 다른이론.퀘이사.인공위성.레이저를 이용한 테스트.입증되지 않은 가능성
.반중력 명사가 된 아인슈타인

8.블랙홀과 다른 특이천체 ...175
공간속에 있는 터널,중성자별의 존재를 증명한 오펜하이머 연구팀.사상의 지평선 너머에 있는 블랙홀
다른종류의 블랙홀이 존재하는가.블랙홀에서 에너지를 얻을 가능성.블랙홀을 설명하는 시공간 도표
블랙홀 탐사하기.실제로 블랙홀일 가능성이 있는 천체들.미니 블랙홀과 폭발하는 블랙홀.화이트홀은 존재하는가
웜홀을 통한 시간여행.다시 아인슈타인으로 돌아가기

9.우주의 시작과 끝 ...217
빅뱅이론의 근간이 된 우주론.팽창하는 우주.조지 가모브의 핵융합 가설.호일의 정상상태이론.우주배경복사의 발견.
우주의 탄생.자연의 네 가지힘. 빅뱅의 문제점들 덩어리진 우주.빅뱅의 난제를 해결한 급팽창이론.
우주의 운명은 어떻게 될 것인가 아인슈타인과 우주론

10.잡히지 않는 존재를 찾아서 ...257
모든것의 이론을 찾아서.난관에 직면한 아인슈타인의 이론.아인슈타인의 가장 큰 결점.통합이론의 돌파구를 마련한QED
대통일이론을 위한 노력.우주를 이해하기 위한 새로운 접근.새로운 이론의 전망

11.양자 난국 ...279
아인슈타인-보어 논쟁.EPR패러독스. 슈뢰딩거의 고양이.벨의 부등식.양자역학의 딜레마

12.아인슈타인의 유산 ...299

역자후기-아인슈타인, 그 영원한두뇌 ...307

미주 ...315

용어설명 ...321

참고문헌 ...327

찾아보기 ...331

출판사 서평

지금까지 '아인슈타인'이라는 이름을 내세운 수많은 책들이 출간되었다. 그러나 정작 아인슈타인의 이론과 그 이후 20세기 과학의 발전사를 제대로 다루어준 작품은 거의 없었다. [상대적으로 쉬운 상대성이론]은 과학의 패러다임을 혁명적으로 바꾼 상대성이론으로부터 양자이론, 블랙홀이론, 끈이론에 이르기까지 광범위한 주제를 과학을 전공하지 않은 사람들도 쉽게 이해할 수 있도록 간결하고 명확하게 풀어내고 있다.과학의 혁명-우주의 새로운 이론-뉴턴의 아이디어 거꾸러지다
위대한 과학자들 중에는 사회나 주변으로부터 인정받지 못하거나 이단아 취급을 받는 사람들이 많았다. 예를 들어 처음으로 상대성이론을 영어로 설명한 아서 에딩턴은 영국에서 반전주의자로 낙인 찍혀 냉대를 받기도 했고, 정상상태우주론을 주창한 프레드 호일은 어린 시절부터 학교에 잘 적응하지 못했다. 아인슈타인도 예외는 아니었다. 그는 학창 시절, 주의가 산만하고 침울한 아이로 취급받기도 했고, 그의 담임선생은 그가 결코 아무것도 될 수 없을 거라고 악담을 퍼붓기도 했다. 스무 살이 되기도 전에 이미 당시 확고부동한 진리처럼 여겨졌던 뉴턴의 이론을 회의하기 시작한 그였지만 강사 자리를 하나 얻지 못해 특허국에서 일하며 연구에 몰두해야 하는 시절도 있었다.

하지만 기적의 해 1905년에 놀라운 논문을 연달아 발표하며 그는 과학사를 새로 쓰기 시작했다. 특히 특수상대성이론에 관한 논문은 공간과 시간에 대한 우리의 관점을 완전히 바꾸었다. 이전에는 시간과 공간은 절대적인 것, 즉 항상 똑같고 절대 변하지 않는 존재라고 생각되었다. 아인슈타인은 이 관점이 사실과 다르다는 점을 역설하고 있었다. 즉 그는 시간과 공간이 기묘한 신축성을 지니고 있다는 점을 증명해 보였다. 간단히 말해 시간과 공간은 '상대적'이라는 것이었다. 그리고 이로부터 낯선 결과들이 나타났다. 그는 우주에서 어떤 속도도 빛의 속도보다 빠를 수 없다는 사실을 밝혀냈다. 또 질량과 에너지는 본질이 똑같은 것의 서로 다른 형태였다는 사실도 보여주었다. 질량과 에너지의 등가원리는 원자폭탄과 수소폭탄을 만드는 비법을 제공했다.

믿기 어렵지만, 이것은 시작일 뿐이었다. 10년 후, 아인슈타인은 이런 놀라운 업적을 능가하는 또 하나의 이론을 내놓는다. 바로 일반상대성이론이었다. 일반상대성이론은 그것이 지니고 있는 우아함과 아름다움, 그리고 광범위한 영역까지 미치는 영향력 때문에 오늘날까지도 우리에게 놀라움을 준다. 아마도 과학의 역사에서 이 이론에 필적할 만한 업적은 거의 없을 것이다. 그럼에도 당시 세계에서 그의 상대성이론을 이해하는 사람이 단 세 사람뿐이라는 소문이 돌 정도로 아무도 그가 말하고자 하는 바를 이해하지 못했다. 따라서 노벨상 수상위원회는 여덟 번이나 후보에 지명된 그를 외면했으며, 마침내는 상대성이론이 아닌 광전효과에 대한 설명으로 노벨상을 수여하기에 이른다.

1919년 11월 에딩턴 원정대에 의해 일반상대성이론이 실증되었을 때, 《런던 타임즈》는 '과학의 혁명-우주의 새로운 이론-뉴턴의 아이디어 거꾸러지다'라는 제목의 큼지막한 기사를 내보냈다. 이를 통해 비로소 아인슈타인은 세계적인 명성을 얻게 되었다. 아인슈타인의 연구는 우주론, 천체물리학, 핵물리학, 고체물리학, 시간여행, 그리고 전자공학 등 너무나 많은 분야에서 발전의 밑바탕이 되었다. 아인슈타인이 지난 세기의 가장 위대한 사상가라는 영예를 얻었다는 점과 그의 초상화가 전세계 수많은 과학자들의 연구실 벽을 우아하게 장식하고 있다는 사실은 결코 놀라운 일이 아니다. 그는 펜과 글을 쓰기 위한 받침대 하나만으로 물리학뿐 아니라 사회를 영원히 변화시켰다.E=mc2으로부터 엘러건트 유니버스까지
[상대적으로 쉬운 상대성이론]은 아인슈타인의 전기라기보다는 '상대성이론'의 전기 혹은 '20세기 과학의 발전사'이다. 빛의 파동성을 규명하기 위해 가상의 물질 에테르를 설정하던 때로부터 빛의 속도를 측정하려고 한 마이컬슨-몰리 실험을 거쳐 E=mc2라는 놀라운 공식과 함께 상대성이론이 탄생하기까지의 과정을 먼저 보여준다. 이야기는 여기서 끝나지 않는다. 아인슈타인이라는 천재 과학자 한 명이 상대성이론을 수립할 때 다른 한쪽에서는 수많은 과학자들의 노력의 결과로 양자이론이 태동하고 있었다. 결과적으로 양자이론은 아인슈타인을 괴롭혔고 상대성이론의 허점을 파고들었다. 이후 물리학과 우주론의 발전은 놀라운 방향으로 전개된다. 블랙홀 개념을 착안한 찬드라세카르에서 끈이론의 권위자 마이클 그린에 이르기까지 아인슈타인이 미처 생각지 못한 이론들이 줄줄이 이어 등장했다.

저자 배리 파커는 이렇게 아인슈타인 이론으로부터 출발해 이후 과학의 발전사를 세세하게 짚고 넘어간다. 그런 의미에서 이 책은 최근 화제를 모은 《E=mc2》(생각의 나무, 2001)과 《엘러건트 유니버스》(승산, 2002)의 접점에 있다고 할 수 있을 것이다. 물론 우주론에 대한 개관은 간략했고 중요한 점들이 많이 제외되었다. 하지만 이 과정은 아인슈타인이 우리에게 남긴 거대한 유산에 대해 일부를 알려줄 것이다.

최초의 현대 우주론이 1916년에 제시된 아인슈타인의 우주론일 뿐만 아니라 그 이래 공식화된 거의 모든 우주론이 또한 아인슈타인의 일반상대성이론에 근거한다. 아인슈타인은 진실로 우주론의 아버지다. 대부분의 중요한 진전이 아인슈타인이 죽은 이후 이루어졌지만, 아인슈타인은 결국 우주의 팽창을 인정했다. 아인슈타인은 자신의 원래 이론에 우주상수를 사용했지만, 1932년에 우주상수가 자기 생애의 가장 큰 실수라고 말하며 우주상수를 버렸다. 아인슈타인이 만일 우주상수를 사용하지 않았다면, 우주의 팽창을 예측할 수 있었을지도 모른다.

흥미롭게도 아인슈타인이 버린 우주상수는 오늘날 우주론에서 계속 사용되고 있다. 1998년에 있었던 또 다른 반전이 그 계기가 되었다. 우주 변방에 있는 초신성을 관측하자 이 초신성을 포함한 은하가 예상했던 것보다 더 빠르게 멀어지고 있는 현상이 발견되었기 때문이다. 다시 말하면 우주는 가속적으로 팽창하고 있다는 사실을 확인했던 것이다. 우주 팽창을 가속시키는 가속 페달의 정체는 무엇일까? 무언가가 끌어당기는 중력과 반대로 밀어내는 역할을 하는 것이다. 현대 과학자들은 중력과 반대효과를 일으키는 이 무언가를 '암흑에너지'라 부른다. 현재 암흑에너지의 가장 강력한 후보는 아인슈타인이 제기했다가 자신의 가장 큰 실수라고 고백하며 철회했던 우주상수다. 참으로 아이러니컬하다. 아인슈타인의 최대 실수가 정답이 된 것일까. 끝나지 않은 아인슈타인 이론의 실험
아인슈타인은 말년에 주류 과학계에서 벗어나 홀로 연구에 몰두했다. 물리학의 주류는 양자이론이 제공하는 통찰력으로 거대한 진보를 이룩하고 있었다. 하지만 아인슈타인은 전자기력과 중력을 통합된 하나의 장에 종합할 수 있는 이론을 만들고 싶었다. 그는 이것을 '통일장이론'이라고 불렀다. 아인슈타인은 숨을 거둘 때까지 통일장이론에 대한 연구를 계속했지만 이렇다 할 결론에 이르지 못했다. 하지만 결국 과학자들은 아인슈타인이 추구했던 통일장이론과 비슷한 이론에 노력을 기울이게 되었다. 바로 '모든 것의 이론'을 완성하려는 연구이다. 중력을 비롯한 자연계의 네 힘을 하나로 통합하려는 시도다. 아인슈타인이 말년에 매진했던 연구가 결코 헛된 일은 아니었음을 보여주는 것이다.

아인슈타인은 거의 초창기부터 '주사위 놀음'과 같은 새로운 양자이론을 싫어했다. 양자이론의 예측은 정확했지만 이상했다. 그 이론에는 기묘함이 있었다. 무언가 측정될 때만 그것이 실재했기 때문이다. 아인슈타인은 양자이론이 불완전하다는 점을 보이기 위해 여러 해 동안 애썼다. 양자역학을 극복할 더 좋고 더 커다란 이론이 있다고 확신했기 때문이다. 물론 자신의 목표를 달성하지는 못했다. 하지만 최근 물리학계에서는 양자이론의 토대를 새롭게 재검토하는 일이 유행이다. 이제 양자를 개연성이나 불확실성의 개념이 아닌 좀더 확실한 구조로 설명하려는 아인슈타인의 생각을 실험으로 검증하려고 노력하는 것이다.

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저자 소개
저자 배리 파커(Barry Parker)

작가정보

저자(글) 배리 파커

저자 배리 파커(Barry Parker)
1967년부터 1997년까지 아이다호주립대학 물리학 교수로 재직한 배리 파커는 대중들을 위한 교양과학서를 집필하고 있는 저명한 과학저술가이기도 하다. 이미 11권의 대중과학서를 출간해 호평을 받았으며, 특히 Search for a Supertheory와 Alien Life: The Search for Extraterrestrials and Beyond는 베스트셀러에 오르기도 했다. 그밖의 저서로는 Stairway to the Stars: The Story of the World's Largest Observatory, Quantum Legacy: The Discovery That Changed the Universe 등이 있다.

역자 이충환
1995년에 서울대 천문학과 석사학위(우주론 전공)를 마치고 현재는 동 대학원 박사 과정 휴학중이다. 1999년에는 국내 유일의 천문학 잡지 《별과 우주》에서 기자 활동을 하다가 2000년부터 현재까지 국내 최고의 과학 잡지 《과학동아》에서 전문기자로 활동중이다.

번역 이충환