뉴턴의 우주에서 아인슈타인의 우주로
2024년 09월 11일 출간
국내도서 : 2024년 09월 10일 출간
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작품소개
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제1장 뉴턴… 17
제2장 에테르와 그 결과들… 43
제3장 아인슈타인… 59
부록 1: 시간, 공간, 그리고 중력_알베르트 아인슈타인… 101
부록 2: 아인슈타인의 중력의 법칙_ J. S. 에임스… 111
부록 3: 중력에 의한 빛의 굴절과 아인슈타인의 상대성이론
_프랭크 다이슨/ A. S. 에딩턴/ J. J. 톰슨… 143
“뉴턴 이전의 태양계는 형태도 없고 텅 비어 있었지만 뉴턴이 등장하면서 빛이 생겼다. 지구상의 물질뿐만 아니라 그 너머의 행성과 태양, 별에도 적용하는 법칙을 발견한 것은 뉴턴을 초인의 반열에 올려놓는 업적이다.”(18쪽)
뉴턴의 위대한 업적은 지구에만 있는 특이한 성질로 여겨졌던 이 ‘중력’이 물질의 보편적인 성질이어서, 지구뿐만 아니라 달과 태양에도 적용되며, 실제로 달과 행성들의 운동이 중력에 근거해 설명될 수 있다는 것을 보여준 데 있다. 그러나 그의 가장 위대한 업적은 천체를 규정하는 운동을 탁월한 일반법칙으로서 정량적으로 표현해 낸 것이었다.(25쪽)
뉴턴은 달이 지구 주위를 계속 공전하는 것은 지구의 중력 때문이라고 추론했다. 다음으로 중요한 단계는 이 운동을 조절하는 법칙을 발견하는 것이었다. 케플러가 태양 주위를 도는 행성들의 움직임을 관찰한 것은 더 없이 귀중한 가치를 지니고 있다. 뉴턴은 이를 통해 인력이 거리의 제곱에 반비례한다는 가설을 추론해냈다.(27쪽)
뉴턴과 아인슈타인 모두 운동의 수학에 대한 심오한 연구를 통해 중력이론을 이끌어냈지만, 뉴턴의 운동 개념은 아인슈타인과 다르다. 더구나 뉴턴 시대 이후에 물질의 본질과 운동과 물질의 관계에 대한 중요한 발견이 이루어졌기 때문에 두 이론이 차이를 보이는 것은 당연하다. 앞으로 살펴보겠지만 뉴턴의 이론은 어쩌면 진실의 근사치에 불과할 것이다. 우리의 관심을 태양계에 국한한다면, 뉴턴의 법칙에서 나타나는 편차는 대체로 무시할 수 있을 정도로 작다.(33쪽)
이제는 광학에 대한 뉴턴의 공헌을 살펴볼 차례다. 다른 어떤 분야보다 아인슈타인의 연구에서 가장 빛나는 일련의 연구들의 시작점을 찾아볼 수 있게 될 것이다.(37쪽)
“일반적으로 받아들여지고 있는 호이겐스의 빛의 파동이론은 이러한 파동이 전파되는 매질을 고려하지 않으면 그 의미를 완전히 잃게 된다. 이 매질을 우리는 에테르라고 부른다.”(44쪽)
물질은 본질적으로 전기적이라는 것이다. 하지만 물질과 빛의 기원이 같고 물질이 중력의 영향을 받는다면 빛도 마찬가지가 아닐까? 아인슈타인은 그렇게 추론했다.
뉴턴의 움직이는 물질에 대한 연구는 중력이론으로 이어졌고, 부수적으로 시간과 공간을 확실한 실체로 보는 개념을 갖게 되었다. 앞으로 살펴보겠지만, 아인슈타인의 중력이론은 뉴턴 이후 시대의 발견들에 기초하고 있다. 그 중 하나가 바로 시간과 공간을 분리할 수 없는 하나로 보는 민코프스키의 이론이다.(54쪽)
아인슈타인의 연구로 이어진 또 다른 중요한 발견은 물질의 전자이론으로 정점을 찍은 연구였다. 이 이론의 기원은 빛의 본질을 다룬 연구에서 찾을 수 있다. 여기에서도 뉴턴이 선구자로 등장한다.(54쪽)
아인슈타인은 태양 근처를 지나가는 광선이 중력의 작용으로 인해 경로를 벗어나게 될 것이라고 예측했다. 심지어 한 걸음 더 나아가 광선이 경로를 얼마나 벗어나게 될지를 예측했다. 이 예측은 아인슈타인이 수학적인 설명으로 발전시킨 중력이론을 기반으로 했다. 영국 일식탐사대의 목표는 아인슈타인의 가정을 증명하거나 반증하는 것이었다.(62쪽)
아인슈타인에 따르면 빛은 질량을 가지고 있으므로 무게가 있을 것이다. 질량은 빛이 포함하고 있는 물질이며, 무게는 중력에 의한 인력을 나타낸다. 광선은 태양에 의해 끌어당겨지지만 아인슈타인의 중력이론에 따르면 태양의 중력은 광선을 평균 1.75(각초)만큼 이동시킨다.(67쪽)
뉴턴의 시대 이후 물리학은 물론 과학 전반이 비약적으로 발전했고, 아인슈타인은 뉴턴이 그의 시대에 할 수 있었던 것과 같은 탁월한 방식으로 현재의 지식을 해석할 수 있었다. 더 많은 사실을 바탕으로 아인슈타인의 중력법칙은 뉴턴의 법칙보다 더 보편적이며, 실제로 뉴턴의 법칙을 포함하고 있다.(70쪽)
만약 우리가 ‘관찰의 영역 내에 있는 것들 사이의 인과관계’만을 믿는다면, 관찰은 우리에게 물체가 서로에 대해서만 상대적으로 움직이며, 공간에서 물체의 절대적인 운동이라는 개념은 무의미하다는 것을 알려준다. 따라서 아인슈타인은 절대적인 운동이란 존재하지 않으며, 우리가 논의할 수 있는 것은 오직 다른 물체에 대한 한 물체의 상대적인 운동뿐이라고 가정한다. (77~78쪽)
상대성이론은 우리의 시간 측정 방법을 철저하게 재구성할 것을 요구한다. 그러나 이것은 두 지점 사이의 거리인 공간을 측정하는 우리의 방법과 밀접한 관련이 있다. 논의를 진행하면서 우리는 시간이 없는 공간은 의미가 거의 없으며, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 알게 된다. 이를 통해 민코프스키는 ‘시간 자체와 공간 자체는 그림자에 불과하며, 물리적 세계의 사실을 조정하는 단일하고 나눌 수 없는 방식의 두 가지 측면에 불과하다’는 결론에 도달한다. 아인슈타인은 이 시공간 개념을 상대성이론에 통합했다.(83쪽)
에딩턴 교수는 ‘지구는 태양이 직접 끌어당기기 때문에 곡선 궤도를 도는 것이 아니라, 태양에서 방출되는 영향으로 뒤엉켜 있는 공간과 시간을 통해 최단경로를 찾으려 하기 때문’이라고 말한다. 바로 이 점에서 뉴턴의 개념은 실패한다. 그의 견해와 법칙에는 공간의 ‘변형’이 포함되어 있지 않았기 때문이다. 뉴턴의 중력법칙은 이러한 왜곡을 포함하는 법칙으로 대체되어야 한다. 이 새로운 법칙을 우리에게 제공한 것은 아인슈타인의 큰 영광이다.(87쪽)
절대적인 시간과 공간은 없다
아인슈타인이 놀라운 일을 해냈다는 것은 누구나 알고 있다. 하지만 그가 해낸 일이 무엇인지 정확하게 알고 있는 사람은 거의 없다. 일반적으로 물질세계와 우주에 대한 생각에 대변혁을 일으켰다는 것은 알고 있지만 그의 새로운 생각들은 수학적 학술어로 포장되어 있다. 그래서 상대성이론에 대한 대중적인 설명들이 수없이 시도되었지만 대개 중요한 내용을 말하기 시작하는 바로 그 지점부터 이해할 수 없게 된다. 새로운 생각들은 비 수학적인 언어로 표현될 수는 있다. 그럼에도 그 설명은 어렵다.
새로운 생각을 이해하기 위해선, 우선 우리들이 머릿속에 그리고 있는 우주에 대한 상상도가 먼저 변해야 할 필요가 있다. 이 상상도는 아주 먼 선조들로부터 전달받은 것이며 우리가 어린 시절부터 배웠던 것이다. 우리의 상상도를 변화시키는 것은 언제나 어렵다. 지구는 정지해 있지 않으며 천체가 하루에 한 번 지구 주변을 공전하는 것이 아니라고 가르쳤을 때, 코페르니쿠스는 이와 똑같은 상상도의 변화를 요구했던 것이다.
뉴턴은 힘을 믿었으며, 절대적인 공간과 시간을 믿었다. 그는 이런 믿음을 자신의 기술적인 방법론으로 구현시켰으며 그의 방법론은 후대의 물리학자들에게 남아 있었다. 아인슈타인은 뉴턴의 가설에서 벗어난 새로운 이론을 만들어냈다. 그렇게 하기 위해선 아득한 옛날부터 문제가 되지 않았던 공간과 시간에 대한 오래된 생각들을 근본적으로 변화시켜야 했다.
빛의 속도로 이해하는 시간과 공간 그리고 중력
저자는 이 책의 집필 목적을 이렇게 밝힌다.
“시간과 공간에 대한 우리의 생각과 우주에 대한 전반적인 지식에 아인슈타인의 공헌은 매우 중요해서 20세기의 위대한 업적들 2~3가지 중 한 자리를 쉽게 차지한다. 이 작은 책자는 대중적인 형식으로 이 업적을 설명한다. 하지만 아인슈타인의 업적은 뉴턴과 그의 후계자들의 업적에 너무나도 크게 의존하므로 앞부분 두 개의 장은 그들의 업적에 집중했다.”(14쪽)
뉴턴의 중력법칙에서부터 상대성이론이 등장하기까지 200여 년의 시간이 흘렀다. 뉴턴의 등장 이전에도 수많은 과학자들은 우주를 더욱 명확하게 이해하기 위해 가설을 세우고, 실험하고 검증했다. 이 책은 수백년 동안 논의되어온 물질과 중력, 빛의 속도, 시간과 공간에 대한 주요한 연구 결과들이 어떻게 아인슈타인의 상대성이론으로 연결되는지를 일목요연하게 정리해 보여준다. 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 과학적 추론과정을 살펴보는 것으로 상대성이론을 자연스럽게 이해하도록 도와줄 새로운 상상도를 제시하고 있다.
이 책을 통해 우리는 두 과학자의 우주적 성찰이 결코 단절된 적이 없고, 폐기된 것도 없으며, 시대를 거쳐 이어져 왔음을 이해할 수 있다.
작가정보
(Benjamin Harrow 1888~1970)
미국의 생화학자, 과학저술가. 영국에서 태어나 대학을 졸업한 후 1907년에 미국으로 이주했다. 1913년 컬럼비아 대학에서 화학 박사학위를 취득했으며, 뉴욕시에 있는 포드햄 대학의 의과대학(1913-1914), 컬럼비아대학 의과대학의 생리화학과(1914-1928), 뉴욕대학 화학과의 교수로 재직했다(1939~1944). 1947년에 영국왕립학회 회원으로 선출되었으며, 미국 화학협회와 미국 과학진흥협회에서 활동했다. 화학의 역사에 관한 대중해설서를 여러 권 집필했으며, 《유기화학 입문》은 화학과 학생들을 위한 뛰어난 입문서로 널리 활용되고 있다.
저서로는 《우리 시대의 탁월한 화학자들》(1920), 《현재의 과학》(1921), 《비타민, 필수적인 영양요소》(1922), 《생화학 교과서》(1938) 등이 있다
아주대 영문과 졸업, 출판기획과 번역작업을 하고 있다. 옮긴 책으로는 《군주론》 《유토피아》《월플라워》 《우주에는 신이 없다》 《존 스타인벡의 진주》 《자유론》 《사회계약론》 《통치론》 《인문학으로 읽는 과학사 이야기》 《우리가 알고 싶었던 두려움》 《플랫랜드〉 《여론, 전문가의 탄생》 《수학자의 변명》 《과학이 우주를 만났을 때》 등이 있다.
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