상대성 이론이란 무엇인가

상대성 이론이란 무엇인가? - 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강, 개정판
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2022년 10월

상대성 이론이란 무엇인가

저자는 이 책의 내용을 분명하게 밝힌다.

증거에 근거한 아인슈타인의 아이디어들에 초점을 맞출 것이다.

공상과학과는 거리를 둘 것이고, 그것보다 더 분명하다 할 수 있는 수학적 계산에 의한 추측과도 거리를 둘 것이다. (........) 증거에 근거한 접근 방식은 이 책의 내용은 모두 과학으로 인정받은 내용이라는 것을 알려줄 것이다. (40쪽)

아인슈타인의 아이디어란 무엇일까?

두 가지다, 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론

특수 상대성 이론

이 책은 특수 상대성 이론을 다음 세 가지 항목으로 설명한다.

달리는 빛

시간과 공간을 다시 정의하다

새로운 상식

먼저 빛의 속도에 대한 생각 하나.

빛의 속도로 가는 우주선을 만드는 것은 그저 기술적인 도전이 아니다. 할 수 없는 것이다. (62쪽)

특수 상대성 이론은 등속으로 운동하는 계(system)에만 적용할 수 있다.

일반적인 적용을 위하여 중력을 재해석한 것이 일반 상대성 이론이다. (나무 위키)

이 말을 이 책에서 이렇게 설명하고 있다.

특수 상대성 원리는 그 이름이 암시하듯이 본질적으로 일반 상대성 원리의 일부다.

특히 특수 상대성 원리는 중력의 영향을 무시한 특수한 경우에 적용되고, 일반 상대성 이론은 중력을 포함한다. (45쪽)

그래서 이런 말들이 등장한다.

“특수 상대성 원리는 중력의 역할을 무시하고 있으므로” (55쪽)

상대성 원리를 이해하는 첫걸음은, 무엇이 상대적인지를 명확하게 하는 것이다. (49쪽)

그 상대적이라는 말은, 모든 것이 상대적이라는 말이 아니라, ‘운동’은 언제나 상대적이라는 말이다. (49쪽)

시간 지연 (Time dilation)

관찰자가 정지해있고 이동하는 물체를 볼 때 이 이동하는 물체의 시간이 더 느리게 흐르는 효과. (74쪽)

이를 계산하는 방식이 있다.

이때 저자는 이렇게 말한다.

이동하는 기준틀에서 시간이 얼마나 느리게 흐르는지 그 변화치를 계산하는 방법은 쉽다. (74쪽)

과연 쉬울까? 그 방법이 쉬운지 한번 적어본다,

첫 번째 단계 : 이동하는 물체의 속도가 빛의 속도에 비해 몇분의 몇인지 적는다.

두 번째 단계 : 이 몇분의 몇을 제곱하고, 1에서 이 제곱한 값을 뺀다.

세 번째 단계 : 계산한 값에 근호를 씌운다. (75쪽)

나에겐 결코 쉽지 않다,

그래서 저자는 (쉽지 않다고 여기는 나를 위해) 다시 설명한다.

알이 빛의 속도에서 90%에 해당하는 속도, 즉 0.9 C로 움직이고 있다고 하자.

( 이 말은 빛의 속도의 90%에 해당하는 속도라는 의미다. 83쪽)

첫 번째 단계에 따르면 0.9 가 나온다.

두 번째 단계에 따르면, 0.9의 제곱은 0.81이 되고, 1에서 0.81을 뺀 값은 0.19이다.

마지막 단계에 따르면, 0.19에 근호를 씌운 값은 0.44가 된다.

이런 계산의 결과는 어떻게 해석되는 것일까?

이로써 알이 0.9 C로 움직일 때 당신의 시간보다 알의 시간은 44%밖에 흐르지 않는 것을 관찰할 것이다.

다시 말해, 당신의 시간이 10초 걸리는 동안 알의 시계는 겨우 4.4 초 걸릴 것이다.

마찬가지로, 당신에게 100년이 걸린다면 알에게는 겨우 44년이 걸릴 것이다. (75쪽)

물론 이렇게 저자의 설명을 따라 가면서 계산을 해보니, 쉽게 여겨진다.

그런데 다른 수치를 제시하고 상황을 달리 한다면 내가 위와 같은 계산식을 도출해 낼 수 있을까? 그러면서 쉽게 계산을 할 수 있을까?

하여튼 그런 경우는 논외로 하고, 지금은 저자의 설명을 따라가며 이해하는 게 우선이니까 그렇게 알아두고 넘어가자.

동시성의 상대성 (relativity of simultaneity) (82쪽)

여기에서 우리의 상식은 모든 관찰자가 사건들의 순서나 동시성에 대해 같은 의견을 가지지는 않는다는 사실을 용납해야 한다. (85쪽)

아인슈타인과 다른 사람들은 이들 아이디어를 수학을 통해 조사했고, 매우 중요한 사실을 발견했다.

즉, 시간과 공간은 개별적으로 측정했을 때는 관찰자에 따라 다를 수 있지만, 시간과 공간을 합친 시공간은 모든 사람에게 똑같다는 것이다. (86쪽)

저자가 시도하는 시공간과 차원에 대한 설명은 우리로 하여금 '차원'에 대한 이해를 제대로 하게 만들어 준다. 이 부분 필독! 

E = mc²

(여기 c² 표시하는 방법은? 아래 한글 프로그램에서, 입력 -  문자표 -  분수/첨자에서 2를 선택하면 된다.)

이 공식은 특정 상황에서는 질량을 에너지로, 혹은 에너지를 질량으로 전환하는 것이 가능하다는 것을 말한다. (95쪽)

일반 상대성 이론

이 책은 일반 상대성 이론을 다음 두 가지 항목으로 설명한다.

뉴턴의 불합리성

중력을 다시 정의하다

다시, 이 책은?

이 책, 지금껏 읽어온 상대성 이론에 관한 책 중에서 그래도 쉬운 편이다.

저자가 다양한 방법으로 설명을 시도하고 있고 그런 설명을 차근차근 듣다보면 상대성 이론이 납득이 되는 것이다. 그러나 그걸 나의 언어로 설명하기는 아직 역부족이다.

그런 것 감안하더라도, 상대성 이론이라는 난공불락의 성에 도전하고 입구에 들어섰다는 것만으로 우선 만족한다. 물론 저자는 이런 나의 자세를 나무라겠지만. 저자의 이런 말에 힘입어 더욱 공략을 멈추지 않을 것이라는 것, 첨언한다.

저자는 이런 말로 나를 다독인다.

“아인슈타인의 아이디어는 우주를 보는 시각을 바꿔줄 것이다.” (41쪽)

그게 내가 바라는 바이니까.