중학생도 이해할 수 있는 상대성 이론

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

수포자나 문과형 사람도 1시간이면 쉽게 이해할 수 있는 상대성이론 개념 책 <과학은 어렵지만 상대성 이론을 알고 싶어>. 교육 분야 유튜버 요비노리 다쿠미 저자의 책은 <수학은 어렵지만 미적분은 알고 싶어>를 통해 먼저 만나봤었는데요. 다쿠미 쌤의 소크라테스 대화법으로 풀어나가는 설명은 미적분 말만 들어도 어질거리는 수포자에게 새 세상을 안겨준듯한 느낌이었답니다. 이번에는 물리학의 대표 이론 상대성 이론에 관한 이야기입니다.

물리학 초보 에리는 상대성 이론을 들어도 감이 잘 안 오는 흔한 일반인의 대표격입니다. SF 영화 인터스텔라를 통해 상대성 이론이 대중에게 널리 알려졌지만, 모호한 개념으로만 받아들여질 뿐입니다. SF 장르에서만 나올 법한 것으로 치워버리죠.

상대성 이론은 20세기 초반 아인슈타인이 발표한 이론입니다. 우리가 살고 있는 세상의 '진짜 모습'을 보여주는 이론이라고 하죠. 우리가 실생활에서 느끼는 고정관념을 완전히 뒤엎는 이야기가 많습니다. 그래서 일상 감각으로는 와닿지 않습니다. 하지만 위치를 알려주는 내비게이션 GPS 기술, 원자력 발전소나 우주의 구조 등에 상대성 이론이 반영되어 있다고 합니다.

시간과 공간에 관한 혁신적인 이론인 상대성 이론. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론이 있다는 정도까지는 들어봤을 거예요. 시간과 공간을 다루는 특수 상대성 이론은 초등학교, 중학교에서 열심히 배우는 거리, 시간, 속도의 관계로 풀어냅니다. 여기에 중력을 추가하면 일반 상대성 이론인데 이쪽은 엄~청 어려워서 평생을 다 바쳐야 할 정도라네요. 우리가 배울 건 특수 상대성 이론입니다. 상대성 이론이 궁금해서 이런저런 책을 본 사람들이라면 다 아는 '기차'를 이용해서 말이죠.

상대성 이론의 포인트 3가지! 시간의 느려짐, 공간의 줄어듦, 질량과 에너지의 등가성입니다. <과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어>에서는 직감에 반하는 이 세 가지를 1시간이면 이해할 수 있게 해줍니다.

움직이고 있으면 시간이 느려진다? 움직이고 있는 것은 길이가 줄어든다? 시간과 공간에 관한 이 이야기는 인터스텔라에서도 등장하지요. 우주로 나갔다 온 아버지가 딸보다 나이를 덜먹었었죠. 그런데 이렇게 되려면 광속에 가까운 속도로 움직여야만 합니다. 빛의 속도는 어마어마해요. 1초 만에 대략 30만 킬로미터를 갑니다.

상대성 이론의 포인트는 빛의 속도에 있다는 걸 강조해요. 그리고 빛의 속도는 변하지 않습니다. 이게 뭐가 그렇게도 특별한 걸까요? 바로 거리=시간 X 속도라는 우리가 잘 아는 식에 변하지 않는 빛의 속도를 대입하면 이상해진다는 걸 비로소 깨닫게 됩니다. 빛의 속도가 고정이니 그 값에 맞춰 변해야 하는 건 거리와 시간이 되는 거죠. 직감에는 반하지만 논리적으로 맞는 말이 되는 겁니다.

이처럼 특수 상대성 이론을 이해하기 위한 포인트를 잘 짚어주는 다쿠미 쌤입니다. 시간의 느려짐에 관한 건 기차 안에서와 기차 밖에서 본 사람으로 구분해 설명하는데 다른 책보다 초보 대상으로 설명하다 보니 확실히 수월하게 이해됩니다. 저는 빛의 속도(광속)가 초속 30만 킬로미터라는 단위 개념조차 잘 와닿지 않아서 예전엔 이게 뭔 소리? 이랬었는데 이번에 저도 이 책을 읽으면서 이해 수준이 확 올라가는 느낌을 받았어요.

움직이는 것은 줄어들어 보이는 공간의 줄어듦에 대한 것도 역시 거리, 시간, 속도 식에 대입하면 희한하게도 논리적으로 딱 들어맞는 이론이 된다는 걸 쉽게 이해할 수 있게 설명해 줍니다.

그 유명한 아인슈타인의 식 E=mc²이 바로 질량과 에너지 등가성을 이야기하는 식입니다. 질량에 초속 30만 킬로미터의 제곱을 곱한 값이 에너지의 값과 같아진다는 의미의 식이지요. 이것 역시 계산해보면 실감할 수 있는 수치는 아닙니다. 막대한 에너지가 있어야 겨우 1그램을 늘릴 수 있다고 합니다. 히로시마 원자폭탄의 핵분열 반응으로 소실된 질량이 0.7그램이었다고 합니다.

일반인을 대상으로 하는 특수 상대성 이론 개념서 <과학은 어렵지만 상대성 이론은 알고 싶어>. 상대성 이론 세계관의 바탕을 깔 수 있게 도와주는 책입니다.