세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 일반상대성이론

세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 일반상대성이론 - 리만 기하학부터 블랙홀 물리학까지 ㅣ 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 11
정완상 지음 / 성림원북스 / 2024년 11월

"세상에서 가장 쉬운 과학 수업" 시리즈는 노벨상 수상자들의 오리지널 논문 영문본이 실려있습니다
노벨상 수상 오리지널 논문에 사용된 ‘수식’을 그대로 가져왔다는 점에서 특별합니다
논문을 일반인들이 쉽게 이해할 수는 없지만 과학과 수학에 관심이 많고 똑똑한 친구들에게는 오리지널 논문을 접해 볼 특별한 기회라고 생각됩니다
책이 출간될 때마다 기대가 되었는데 아직 11권을 다 읽지는 못하고 7권을 읽었습니다
이번에 읽은 책은 시리즈 11번째인 "일반상대성 이론"입니다
천재 과학자들의 행적을 따라 위대한 증명 과정을 배우고 어려운 증명을 이해하기 쉽도록 친절하게 설명된 수식을 통해 과학에 좀 더 깊게 접근해 볼 수 있습니다
어렵지만 반복해서 읽을수록 흥미롭고 과학자들의 경이롭고 놀라운 연구와 끈기, 도전정신에 경의를 표합니다

"일반상대성이론"

일반상대성이론은 중력에 대한 상대론적 이론으로서 아인슈타인(A. Einstein, 1879-1955)이 1915년 발표하였습니다
시공간의 곡률을 통해 중력을 기하학적 성질로 간주하며 아인슈타인의 방정식은 공간의 에너지 분포가 시공간 곡률을 결정하는 비선형 편미분방정식 형태를 하고 있습니다
일반상대성이론은 중력이 약한 경우 뉴턴의 만유인력 법칙과 같은 결과를 주며, 중력이 강한 경우에 뉴턴 법칙과 상이한 결과를 보이므로 무거운 별 근처에서 그 효과를 확인할 수 있습니다
수성의 근일점 이동, 중력렌즈 효과 등을 통해 정밀하게 검증되었습니다
현대 우주론은 아인슈타인 방정식으로 우주의 진화를 설명합니다
우주 상수를 포함하고 등방성과 균일성 등의 우주원리를 적용할 경우 프리드먼-로버트슨-워커 (Friedman-Robertson-Walker) 해를 얻게 되는데 이를 통해 대폭발로부터 시작되어 지난 약 140억 년 동안 변화해 온 우주를 설명할 수 있습니다

"특수상대성이론"

중력이 작은 환경에서의 시간과 공간의 성질을 다루는 물리학 이론이며, 1905년 알베르트 아인슈타인이 이론적 기반을 마련하였습니다
고전 물리학의 두 기둥이지만 잘 융합되지 않던 고전역학과 전자기학을 통합하고 물리학을 한 층 더 높은 차원으로 인도하였으며, 이후 발전된 양자역학과 결합하여 중력을 제외한 모든 물리학 과정을 기술하는 기초 이론의 역할을 하고 있습니다

요약하자면 일반상대성이론이란 아인슈타인이 특수상대성이론을 확장하여 가속도를 가진 임의의 좌표계에서도 상대성이 성립하도록 체계화한 이론입니다

아인슈타인의 일반상대성이론은 특수상대성이론(1905년 발표)을 확장하여 가속도를 가진 임의의 좌표계에서도 상대성이 성립하도록 체계화한 이론입니다
특수상대성이론에 등가원리와 리만공간의 기하학적 구조에 대한 중력이론을 합한 것입니다
시공간이 상대성을 띄고 있으며, 시공간은 물체의 존재에 의해 영향을 받는다는 내용을 포함하고 있습니다
여기서 우리는 일반상대성이론을 이해하기 위해 리만 기하학의 역사와 증명 과정을 먼저 알아야 합니다
수학의 왕이라 불리는 가우스는 수학자인 동시에 천문학에도 천재적인 두각을 나타내며 수많은 연구를 했습니다
말년에 제자 리만과 기하학 곡률을 연구하였고 가우스의 죽음 이후 리만이 본격적으로 연구하여 곡면의 곡률에 관한 이론을 완성하면서 리만 기하학으로 불리게 됩니다

책에서 곡면의 곡률과 구좌표계를 그림과 식으로 보여주니 관심 있게 봐서 그런가 이해하기가 편합니다
한번 보고 정확히 다 이해할 수는 없어서 최대한 반복해서 천천히 읽었습니다
다른 사람의 증명 과정을 보는 저는 놀랍기만 합니다
특히 아인슈타인의 4차원 시공간 기하를 보며 기존 규칙에서 합의 기호를 생략하는 새로운 규칙을 만들고 증명한 과정은 어려웠지만 아인슈타인의 업적을 배우고 좀 더 다가갈수 있어서 좋았습니다

어떤 증명이 나오기까지 한 사람만의 업적이 아니듯 수많은 과학자들의 노력이 모여서 만들어지고 그들의 삶을 들여다보며 많은 것을 깨닫고 배웠습니다
등가 원리, 중력에 의한 시간의 흐름, 수성의 근일점 이동, 뉴턴 역학, 공변미분, 블랙홀 등 하나의 증명에 관련된 과학 지식들과 뻗어나갈수록 연관된 수많은 법칙을 책 한 권에 담아서 이렇게 읽을 수 있다니 감동적이었습니다
일반 독자들을 위해 좀 더 쉽게 설명된 책이라 흥미로웠고 재밌게 배우며 읽었습니다

책의 뒷부분에 수록된 오리지널 논문을 볼 수 있고 QR코드로 접속해서도 언제 어디서나 스마트폰으로 논문을 볼 수 있다는 게 좋았습니다
과학에 관심이 있다면 "세상에서 가장 쉬운 과학" 시리즈는 꼭 읽어보시길 추천합니다
좋은 책 감사합니다