청소년을 위한 교양 물리학: 특수 상대성 이론

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 21일 출간

작품소개

책소개

19세기 말 물리학자들은 완벽해 보이던 뉴턴 역학이 설명하지 못하는 현상들과 맞닥뜨렸다. 빛의 속도는 어떤 관성계에서 측정해도 동일했고, 마이켈슨과 몰리의 실험은 에테르의 존재를 부정했다. 이러한 위기 상황에서 1905년 아인슈타인이 제시한 특수 상대성 이론은 시간과 공간에 대한 인류의 근본적 인식을 뒤바꾸었다. 절대적이라고 믿어왔던 시간과 공간이 사실은 관찰자의 운동 상태에 따라 달라진다는 혁명적 발견이었다. 이 책은 중학생도 이해할 수 있는 구체적인 사례와 직관적인 설명을 통해 특수 상대성 이론의 핵심 개념들을 차근차근 풀어낸다.

아인슈타인의 두 가지 기본 원리는 우리의 상식을 완전히 뒤집어놓았다. 모든 관성계에서 물리 법칙이 동일하다는 상대성 원리와 진공에서 빛의 속도가 모든 관성계에서 일정하다는 광속 불변 원리가 바로 그것이다. 이 원리들로부터 시간 팽창과 길이 수축이라는 놀라운 현상이 도출된다. 빠르게 움직이는 물체의 시간은 느리게 흐르고 길이는 수축한다. 질량과 에너지는 E=mc²라는 간단한 공식으로 연결되며, 속도를 더할 때도 기존과는 전혀 다른 규칙이 적용된다. 로렌츠 변환이라는 수학적 도구를 통해 이 모든 현상들이 아름답게 통합된다.

특수 상대론의 예측들은 실제 실험과 관측을 통해 끊임없이 검증되고 있다. GPS 위성은 상대론적 시간 보정 없이는 정확한 위치 측정이 불가능하다. 입자 가속기에서는 빛의 속도에 가까운 입자들의 질량 증가와 수명 연장이 일상적으로 관찰된다. 태양에서 일어나는 핵융합 반응은 질량이 에너지로 변환되는 과정이며, 입자-반입자 쌍생성과 쌍소멸 실험은 질량-에너지 등가성을 직접 보여준다. 천체 관측에서 발견되는 도플러 효과와 광행차 현상도 상대론적 원리로 정확히 설명된다. 이처럼 특수 상대론은 추상적인 이론이 아니라 현실 세계를 정확히 기술하는 물리 법칙이다.

민코프스키가 제안한 4차원 시공간 개념은 특수 상대론을 더욱 우아한 기하학적 구조로 만들어냈다. 4벡터를 이용하면 에너지와 운동량, 전기장과 자기장이 하나의 통합된 개념으로 표현된다. 쌍둥이 역설 같은 겉보기 모순도 시공간 다이어그램을 통해 명확히 해결된다. 특수 상대론은 양자역학과 결합하여 현대 입자물리학의 토대가 되었고, 일반 상대론으로 확장되어 중력과 우주론 연구의 출발점이 되었다. 이 책은 복잡한 수식 대신 일상적인 예시와 사고실험을 활용하여 청소년 독자들이 20세기 물리학의 가장 중요한 발견을 자연스럽게 이해할 수 있도록 안내한다.

목차

1. 뉴턴의 세계에서 아인슈타인의 세계로
2. 마이켈슨과 몰리의 놀라운 발견
3. 아인슈타인의 혁명적 아이디어
4. 동시성이란 무엇인가
5. 시간이 늘어난다고
6. 공간도 줄어든다
7. 로렌츠가 발견한 마법의 공식
8. 속도를 더할 때 생기는 일
9. 질량이 무거워진다
10. 운동량의 새로운 정의
11. 에너지와 질량의 놀라운 관계
12. 에너지와 운동량의 아름다운 관계
13. 4차원 시공간의 발견
14. 4벡터와 새로운 물리학
15. 가속 운동과 특수 상대론
16. 쌍둥이 역설의 진실
17. 빛과 관찰자의 상대 운동
18. 빛의 휘어짐과 수차 현상
19. 전기와 자기의 상대론적 통합
20. 입자의 생성과 소멸
21. 우주선과 상대론적 로켓
22. 시간 여행의 가능성과 한계
23. 일반 상대론으로 가는 길

인물정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.