[서평] 잠 못들 정도로 재미있는 이야기 _ 상대성 이론

상대성 이론 ㅣ 그림으로 읽는 잠 못들 정도로 재미있는 이야기
오미야 노부미쓰 지음, 조헌국.이영란 옮김 / 성안당 / 2020년 5월

아인슈타인의 상대성 이론은 너무나 많이 들어봤지만, 이것이 무엇이냐고 물어 본다면, 단 한 문장도 자신 있게 말 할 수 없습니다. 상대성 이론이 탄생하게 된 배경을 먼저 이해해야 그 이론의 방향성을 알 수 있을 것입니다. 우리가 잘 알고 있는 뉴턴 역학이 있습니다. 하지만, 전자기 현상에서는 뉴턴 역학이 통용되지 않다는 것이 밝혀지게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 연구 결과 상대성이론과 양자역학이 탄생하게 되었습니다. 즉, 현상의 시간적, 공간적 및 인과적 기술에 대한 제약과 시공간 개념이 절대적이지 않다는 것입니다.

상대성의 원리와 광속불변의 원리를 핵심으로 하는 상대성 이론은 먼저 발표된 특수 상대성이론과 이 이론의 결점을 해결하기 위한 일반 상대성 이론이 있습니다. 여러 학자들이 지구의 절대 속도를 구하기 위해 노력하였지만 실패를 하게 되고, 이 실패 이유에 대해서도 설명을 하지 못합니다. 아인슈타인은 지구상에서는 어떤 광학적인 실험으로도 지구의 절대 속도를 구할 수 없다는 것을 인정하고, 어떤 실험을 해도 똑같은 결과가 나오는 것에서 광학을 모두 역학으로 바꾸면 갈릴레이의 상대성 원리가 된다는 것을 확대하여 ‘어떤 관성계를 기준으로 해도 모든 물리 법칙은 완전히 똑같이 통용된다’라는 아인슈타인의 상대성 원리를 만듭니다.

추가로, 제자리에서 공을 던질 때 공 자체의 날아가는 속도와 자동차를 타고 가면서 같은 방향, 같은 힘으로 공을 던졌을 때 공 자체의 속도는 차이가 납니다. 자동차의 속도 만큼 합한 속도가 되기 때문입니다. 하지만, 넓은 수면에서는 제자리에서 파도를 만들어 낸 것과 보트를 타고 가면서 만들어 낸 파도의 속도는 같습니다. 빛에서는 앞의 파도에서처럼 빛을 발생하는 광원의 운동상태가 변하더라도 빛의 속도는 변화하지 않는다는 것이 광속불변의 원리입니다. 이 두개의 원리, 즉, 아인슈타인의 상대성원리와 광속불변의 원리에 의해 관성계에 적용할 수 있는 특수 상대성 이론이 확립하게 됩니다. 이 이론에 대한 설명은 시간과 공간에 대한 설명으로 확대되면서 이해와 생각이 필요하므로 책을 읽어 보시는 것이 좋을 듯 합니다.

여기까지만 해도, 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 탄생 배경과 원리를 말할 수 있다는 것이 너무 신기합니다. 책 속의 내용들은 어려운 공식이나 용어가 없이 간단한 그림과 쉬운 용어로 된 셜명으로만 되어 있음에도 말입니다. 책의 뒤에 설명되는 일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론이 관성계에는 적용이 되지만, 비관성계에서는 중력장이나 자기장에서 약점이 있습니다. 이 비관성계에 적용되는 원리를 만든 것이 일반 상대성 원리가 되는 것입니다. 역시 깊은 내용은 책 속의 그림과 함께 이해하는 것이 여러분의 지식으로 남는데 도움이 될 것입니다. 정확히 공식으로는 설명할 수 없지만, 원리와 이론의 흐름을 이해할 수 있게 된 유익하고 즐거운 시간이었습니다. :)