[서평][물리학] 과학은 어렵지만 상대성이론은 알고 싶어 / 요비노리 다쿠미

과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어 ㅣ 알고 싶어
요비노리 다쿠미 지음, 이지호 옮김 / 한즈미디어(한스미디어) / 2020년 12월

'상대성이론' 정말 수포자에 전형적인 문과인 내가 상대성이론이라는 것에 관심을 갖게 된 것은 아니 상대성이론이라는 것을 알게 된 것은 영화 인터스텔라를 보고 나서이다. 영화를 보고 전체 스토리는 이해가 가고 멋진 영화였다라고 생각을 하면서 그런데 상대성 이론이 도대체 뭔데? 라는 생각을 하게 되었다.

상대성 이론에서는 평소에 우리가 주변에서 느끼고 있는 '시간과 공간'의 개념을 근본부터 뒤엎는 이론이 전개된다. 다시 말해 상대성 이론을 공부하는 것은 바로 우리가 살고 있는 세상의 '진짜 모습'을 공부하는 것이다. 라고 저자는 이야기하고 있다.

'과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어 ' 의 저자 요비노리 다쿠미님은 도쿄대학교 대학원을 졸업하였고 그곳에서 물리학을 전공했으며 물리화학과 생물물리를 연구했고 학원강사를 하다가 수학을 보급하기 위한 활동의 일환으로 유튜브 채널 <학원 분위기로 배우는 대학교 수학,물리>를 개설하여 수학과 물리를 교육하는 교육자이다.

이 책은 전구과학 교사모임에서 감수를 맡았고 추천하는 책으로 중학생 수준의 수학을 안다면 누구나 상대성 이론을 쉽게 이해할 수 있다고 용기를 주고 있다. 중학생 수준의 수학도 어려움을 느끼지만....그래도 어느 정도 이해가 가지 않을까?라는 생각에 도전하기로 했다. 그도 그럴것이 이 책에는 선생님(다쿠미선생님)과 학생(에리) 이렇게2명의 등장인물이 있고 상당히 친근한 대화체를 사용하여 선생님과 학생의 대화로 이어지는 전개가 부담이 덜 되고 실제로 이해가 안되는 부분은 학생인 에리가 적절한 타이밍에 이해가 안되는 부분을 다시 물어보는 등 읽기 편한 학습만화같은 느낌을 받으며 읽었다.

총 5장으로 나누어 1장 '과속 불면의 원리'란 무엇일까? 2장 '동시의 상대성'이란 무엇일까? 3장 '시간의 느려짐' 이란 무엇일까? 4장 '공간의 줄어듦'이란 무엇일까? 5장 '질량과 에너지의 등가성'이란 무엇일까? 를 이야기하고 이야기 시작에 앞서 상대성 이론을 왜 공부해야 좋은지, 특수 상대성 이론에 대해 보충설명을 해 주고 있다.

상대성이론에는 특수상대성이론과 일반상대성이론이 있는데 특수 상대성 이론은 시간과 공간을 주제로 하고 여기에 중력을 추가한것이 일반 상대성이론이라고한다. 이 책에서는 특수상대성이론에 대한 설명을 하고 있는데 일반 상대성이론 역시 특수상대성이론을 기반으로 중력을 가미한 것이기 때문에 더 깊게 연구를 하고 싶은 사람들은 특수상대성을 이해하고 일반상대성으로 더 나아가면 되는 것이다.

그리고 중요한 점! 물리학의 이론이 완성되는 과정을 살펴보면 1. 일단은 가설을 받아들인다. 2. 그것이 사실일 경우 무슨 일이 일어날지 생각한다. 3. 검증 실험을 반복한다. 상대성 이론은 100년 전부터 방대한 실험을 거친 결과 현대 물리학에서도 '사실'이라고 확인된 이론이기 때문에 우리는 실험 사실을 알고 그것이 사실일 경우 무슨 일이 일어날 것인가를 알아보면서 상대성 이론을 이해하게 되는 것이다.

상대성 이론의 포인트는 '빛의 속도'

광속불변의 법칙:진공 속의 빛은 항상 일정한 속도로 나아간다.(초속 약30만 킬로미터)

그리고 상대속도의 기준은 자신이다. 빛의 속도는 30만 킬로인데 이것은 빛의 관찰자가 정지해 있든 움직이든 똑같이 30만 킬로미터로 보인다. 현 시점에서 기본적으로 광속 불변의 원리를 부정하는 결과가 나온 실험은 존재하지 않는다. 그러므로 일단 이것이 옳다고 받아들이는 것이다. 그래야 그 결과로 발생하는 더욱 충격적인 사실에 관한 이야기로 넘어갈 수 있다.

상대성 이론을 이해하기 위해서 우리는 광속 불변의 원리와 특수 상대성 원리를 알아야한다.

광속 불변의 원리는 빛의 속도는 어떤 관성계에서나 초속 30만 킬로미터로 보인다.

특수 상대성 원리는 어떤 관성계에서나 물리 법칙은 변하지 않는다.

결론은 빛의 변함없는 30만 킬로미터라는 것이다.

아인슈타인의 '광속 불변의 원리'에서는 거리나 시간이 아니라 빛의 속도가 고정된다.

보통 우리가 알고 있는 속도=거리÷시간 으로 알고 있고 거리와 시간은 불변이다. 거리와 시간이 주어지면 속도가 나오는 식이다. 그러나 빛의 속도의 경우 먼저 초속 30만 킬로미터라는 고정된 값이 있고 그 값에 맞춰서 거리(공간)나 시간이 변하다는 발상이다. 어떻게 이런 생각을 아인슈타인은 26세에 할 수가 있었을까... 역시 천재다..

동시가 절대적인 것이 아니라 상대적이라는 충격적인 사실..

'동시를 공유하지 못한다'

이론적으로는 이해가 가지만 감각적으로는 아직 이해가 어렵다

바꾸어서 같은 위치를 공유하지 못한다라는 예시로 어느정도 실감이 간다.

우리는 보통 시간과 공간을 구별해서 생각하는 경향이 있다. 그런데 시간과 공간의 개념을 하나로 합치는 것을 상대성 이론이라고 할 수 있다. '동시의 상대성'정리해보면 1.빛의 속도는 어떤 관성계에서 보더라도 똑같다. 2.다른 관성계끼리는 '동시'로 느끼는 타이밍이 일치하지 않을 때가 있다. 3 '동시'는 관성계에 따라 달라지는 상대적인 것이다.

특수 상대성 이론에서 가장 유명한 시간의 느려짐

거리나 시간은 지구상에서 모두가 경험적으로 공유하고 있는 것이기 때문에 우리는 '거리는 절대적으로 정해져 있고, 시간도 같은 것을 공유하고 있다'라고 생각해 왔다. 즉, 아인슈타인 이전에는 모두가 이 세계, 이 지구, 이 우주 전체의 시간이 같은 속도로 흐른다고 생각했다.

인터스텔라에서 우주에서 돌아온 아빠보다 늙어버린 딸. 어떻게 시간이 저렇게 다를 수가 있지? 라고 생각했는데 이 장을 보고 어느정도 이해를 할 수 있었다.

동시의 어긋남이 연속으로 일어난다면?

상대성 이론에서는 어느 쪽의 시간이나 공간이 절대적이라고 생각하지 않고 '누구의 처지에서 보는가?'에 따라 잣대를 바꾼다. 어느 쪽의 처지에서 계산하더라도 모순이 발생하지 않는다는 것이 재미있는 점이다. 어느 한쪽의 시간이나 공간의 개념이 절대적으로 옳은 것은 없다. 이것이 상대성 이론이다.

질량보존의 법칙이 오류라니....! 충격이었다. 하긴 그 시대에는 그렇게 정밀하게 측정할 수 없었으므로 그리고 그정도의 차는 같다라고 생각하는 것도 어찌보면 이해가 간다. 지금 더욱 과학이 발전하여 미세하고 정밀하게 알 수 있어서 오류라는 것을 알수 있고 이처럼 지금 우리는 그렇다고 이해하던 일이 후세에는 또 어떤 것이 달라져 있을지 궁금하기도 하다.

에너지와 질량은 변환 가능하다. 즉 등가라는것

1g의 질량에 어느 정도의 에너지가 존재할까?

90조J(줄) 참고로 히로시마 원자폭탄이 핵분열 반응으로 소실된 질량은 0.7g정도였다한다. 그렇게 본다면 1g의 질량에 상응되는 에너지는 엄청나다는걸 알 수가 있다. 천문학에서는 아무것도 없는 상태에서 어떻게 이 우주가 탄생했을까?라는 의문에 대해 에너지에서 질량이 생겨났다라고 설명하는 경우도 있다고 한다.

5장을 끝내고 특별수업으로 시공도를 이용해서 상대성 이론을 설명해주고 있는데 나는 개인적으로 이 부분이 왜 특별수업이었을까? 라는 생각을 했다. 시간과공간을 동시에 보면서 이해할수있는 그래프인데 어찌되었든 이해를 하는데 많은 도움이 되었다. 한번 읽어서 아하!라고 완벽히 이해가 된건 아니지만 확실히 지금까지 어렵게만 느껴졌고 두렵게만 느껴졌던 수학과 과학을 상대성 이론을 내가 좀 더 가깝게 느끼며 이해를 이론적은 물론이고 예시와 함께하여 감각적으로도 어느정도 이해하는 하는데 많은 도움이 되었다.

<도서를 제공받아 작성하였습니다.>