세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 특수상대성이론

세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 특수상대성이론 - 갈릴레이의 고전역학에서 아인슈타인의 특수상대성이론까지 ㅣ 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학
정완상 지음 / 성림원북스 / 2023년 7월

모르면 신비롭지만, 알면 쉬운 과학

지은이 정완상은 노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈 중 알베르트 아인슈타인의 <특수상대성 이론>이다. 알기 쉽게 갈릴레이의 고전역학에서 아인슈타인의 특수상대성 이론까지 일대일 강의처럼 일반인과 과학도의 처지에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한다. 과학의 세계는 잘 모르기에 늘 신비롭기만 하다. 설명을 듣고 나면, 신비감이 없어지겠지만…. 일본의 후쿠시마 원자력발전소 붕괴사고로 생긴 방사능오염수의 해양 방출 문제로 골치를 앓고 있는데, 원자력발전이나 핵융합발전과 같은 발전방식도 아인슈타인의 질량과 에너지의 관계에서 찾은 E=Mc2 공식에 힘입은 바가 크다. 이게 원자탄을 만들었지만...

기존에 적어도 이 책이 나오기 전까지, 양자역학과 상대성이론에 관한 세계적으로 수많은 책이 나왔다. 앞으로도 그러겠지만, 대체로 책들은 수식을 피하고 관련된 역사 이야기만을 담고 있는데, 오히려 과학자들의 오리지널 논문을 함께 살펴보는 것이 더 도움이 될 듯,

그의 연구가 물리학계에서 어떤 자리매김 했는지를 보여준다. 지은이는 기초과학에 관한 모든 지식이 진실이 아닐 수도 있지만, 기초과학의 지식 형성 과정에서 우리는 새로운 지식을 발견할 수 있다고. 새로운 지식발견에 방점을 찍었다. 우선 책은 2부로 나눠서 설명하는데, 1부는 고전역학에서 특수상대성이론이 나오는 과정을 다루는데, 이해를 돕기 위해 갈릴레이와 뉴턴의 역학과 광속을 측정한 사람들에 관한 소개를, 그리고 2부에서는 맥스웰 방정식과 특수상대성 이론과의 관계와 질량과 에너지 관계를.

특수상대성 이론으로 고전역학에서 양자역학으로 전환

특수상대성이론(1905년의 논문 “움직이는 물체의 전기자기학에 관하여”), 갈릴레이와 뉴턴이 완성한 역학 이론(고전 역학)은 이 논문으로 새롭게 다시 쓰게 되는 데 이를 ‘양자역학’이라 한다. 갈릴레이나 뉴턴의 물리학이 3차원 공간의 세상을 바탕으로 한다면 아인슈타인의 이론은 여기에 시간을 포함한 4차원 공간의 세상으로, 변화를 가져온다. 즉, 인류는 4차원 우주에서 산다는 것이다.

아인슈타인은 놀랍게도 한 평생에 걸쳐 쓰기도 어려운 논문을 1905년 한 해에 특수상대성이론을 비롯하여 브라운운동, 광전효과, 질량과 에너지 등가관계 등 4편을 동시에 발표한다. 이들 논문 중 “광전효과”로 노벨물리학상을 받았다. 네 편의 논문을, 샘솟는 아이디어를 주체할 수 없었던 것일까…. 이 책에서 다루느 특수상대성이론에 관한 전체 이미지는 다행스럽게도 호킹의 인터뷰(17~23쪽)에 잘 나타나 있다. 정교수와 물리 군의 대화에 들어가기 전에 에피타이저라 할까, 먼저 이 대목부터 읽기를 권한다. 짧지만, 이 이론에 핵심을 잘 지적했음은 물론, 이 이론의 물리학계, 현실 사회생활에 어떤 영향을 미쳤는지, 그리고 앞으로 미칠 것인지를 엿볼 수 있다.

특수상대성 이론 논문의 개요- 혁명적인 두 가지 가설

아인슈타인은 에테르[(빛의 파동설의 부산물로 파동이 진행하기 위해서 필수적으로 있어야 한다고 믿어졌던 매질(물결파에 대해서는 물, 소리에 대해서는 공기) 중 광파동 매질의 이름]의 존재를 믿지 않고, 두 가지 가설을 세웠다. 하나는 광속도 불변의 원리, 빛이 갈릴레이의 속도 덧셈규칙을 따르지 않았음을 증명한다. 또 하나는 역학과 전기자기학에 대한 물리현상은 정지한 관찰자나 등속도로 움직이는 관찰자에게 똑같은 모습으로 관측된다고... 이것이 특수상대성원리다. 이로 부터 10년 후쯤에 일반상대성이론이 등장한다.

정교수와 물리 군의 대화를 풀어내는 "대화법" 식 설명

본문으로 옮아가면, 정교수와 물리 군의 대화방식으로 키워드를 설명한다. 일대일 공부다. 책을 읽는다기보다는 지은이가 나에게 하나씩 가르쳐주는 그런 느낌이어서 꽤 신선하다. 이 책이 다루는 내용의 30%만 이해, 아니 맛만 봐도, 어디 가서 있어 보이는 수준은 될 듯하다. 고전역학을 다루면서 뉴턴이 누구인지, 언제 어디서 태어나 어떤 계기로 연구를 했는지, 그의 연구특징은 무엇인지도 곁들어 설명해주니 편안하게 1석 3조 효과를 얻을 수 있다.

이 시리즈의 다음 편에는 어떤 이론이 소개될 지 자뭇 궁금하다.

<출판사에서 보내 준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다>