처음 읽는 상대성 이론

처음 읽는 상대성 이론 ㅣ 처음 읽는 시리즈
세다드 카이드-살라 페론 지음, 에두아르드 알타리바 그림, 이충호 옮김 / 두레아이들 / 2021년 1월

아인슈타인의 상대성 이론을 그림책으로 만나게 될 줄은 몰랐어요.

아마 어른들 중에도 물리학은 복잡하고 어려울 거라는 생각 때문에 관심을 두지 않는 경우도 있을 거예요. 만약 그렇다면 이 책을 아이와 함께 보면 더욱 좋을 것 같아요.

<처음 읽는 상대성 이론>은 아인슈타인의 상대성 이론을 누구나 알기 쉽게 설명해주는 그림책이에요.

먼저 알베르트 아인슈타인이 누구인지부터 알아볼까요.

하얀 곱슬 머리의 할아버지 사진이 있네요. 네, 아인슈타인이에요. 상대성 이론은 몰라도 아인슈타인의 얼굴은 다 알 걸요.

아인슈타인은 10대 시절에 다른 사람들이 당연하게 여기는 것들에 의문을 품고 깊이 생각하는 버릇이 있었대요. 그 덕분에 시간과 공간에 관한 이론인 특수 상대성 이론을 만들 수 있었대요. 이 이론을 특수 상대성 이론이라고 부르는 이유는 몇 년 뒤에 아인슈타인이 시간과 공간뿐만 아니라 중력까지 함께 설명한 일반 상대성 이론을 만들었기 때문이래요. 

아인슈타인의 상대성 이론은 시간과 공간에 관한 이론이에요. 

시간과 공간이 무엇인지, 다 안다고 생각할 수도 있지만 실제로 무엇을 뜻하는지 그 개념을 정확하게 알아야 상대성 이론을 이해할 수 있어요.

자, 시간은 어떻게 측정할 수 있을까요?

아인슈타인이 명확한 답을 내놓았어요. "시간은 시계로 측정하면 된다." 그런데 시계는 시간을 어떻게 측정할까요?

시간을 측정하려면 계속 반복적으로 일어나는 사건이 필요해요. 즉, 주기적으로 일어나는 사건이 필요해요.

해는 날마다 떠오르기 때문에 시간을 측정하는 데 안성맞춤이에요. 아침에 해가 떠오르는 일이 몇 번 일어났는지 세면, 얼마나 많은 날이 지났는지 알 수 있어요.

하루보다 짧은 시간을 측정할 때는 시간, 분, 초라는 단위를 사용해요. 하루보다 긴 시간 주기를 측정하는 법은 또 다른 주기적 사건을 사용해요. 지구가 태양 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간을 1년이라고 해요. 1년은 365일이에요.

그렇다면 공간은 어떻게 측정할 수 있을까요?

공간은 물체들이 서로 만나고 사건이 일어나는 장소라고 할 수 있어요. 현실 세계의 모든 일이 벌어지는 무대인 셈이에요. 우리는 공간을 측정하려고 할 때 거리를 측정해요. 거리는 두 점 사이의 길이예요. 거리를 측정할 때는 자처럼 단단한 물체를 사용해요. 1m의 길이는 1799년에 정해졌대요. 한 과학자팀이 길이의 표준을 나타내는 백금 막대를 전달했대요. 미터는 오늘날 모든 과학자가 사용하는 길이의 단위예요.

시간과 공간을 측정하는 방법을 알았으니, 이제 물체가 얼마나 빨리 달리는지 알 수 있어요. 바로 속력을 재는 거예요.

물체의 속력은 달린 거리를 걸린 시간으로 나누어 구할 수 있어요. 

물체에 속도(또는 속력)가 있다는 것은 그 물체가 움직인다는 뜻이에요. 그리고 속도가 0 일 때에는 그 물체는 정지 상태에 있어요.

운동은 항상 어떤 것을 기준으로 삼아 그것에 대한 상대적 움직임으로 정의해요. 그 기준이 되는 어떤 것을 기준 좌표계라고 해요.

그림을 보면 열차 안에 앨리스가 앉아 책을 읽고 있어요. 책은 움직이지 않고 정지 상태에 있기 때문에 앨리스가 편하게 책을 볼 수 있어요. 사실 앨리스가 볼 때 열차 안에 있는 모든 것(사람, 좌석, 전등 등)은 정지 상태에 있어요. 만약 아인슈타인 박사가 기차역 플랫폼에서 앨리스가 탄 열차를 본다면, 이 상황은 완전히 다르게 보일 거예요.

앨리스의 기준 좌표계는 열차이지만, 밖에서 열차를 바라보는 아인슈타인 박사의 기준 좌표계는 플랫폼이에요. 이렇듯 운동은 기준 좌표계에 대해 상대적이라는 사실을 약 400년 전에 갈릴레오 갈릴레이가 처음 깨달았다고 해요.

우주의 기본 법칙 중 하나는 빛이 항상 똑같은 속도로 달린다는 거예요. 그 속도는 초속 30만 km라고 해요. 

아인슈타인은 단 두 가지 개념만 사용해 유명한 이론을 만들었어요. 그 두 가지 개념은, 일정한 속도로 움직이는 기준 좌표계에서는 우주의 법칙들이 항상 똑같다는 것과 빛의 속도는 어떻게 측정하더라고 늘 일정하다는 것이었어요. 이 이론에는 세 가지 놀라운 의미가 포함되어 있어요. 시간 지연, 길이 수축, 질량 증가.

그림과 함께 설명되어 있어서 처음 과학을 배우는 아이들에게는 호기심을 자극하는 것 같아요. 아주 기본적인 개념부터 차근차근 알아가는 재미가 있어요. 

시간과 공간 개념으로 시작해서 우주로 확장되는 이야기라서 더욱 신기하고 놀라운 것 같아요.