상대성 이론이란 무엇인가

상대성 이론이란 무엇인가? - 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2020년 5월

　상대성 이론이란 1905년 아인슈타인이 <움직이는 물체의 전기동력학에 대하여>라는 제목으로 낸 논문에 소개된 이론이다. 아인슈타인은 상대성 이론뿐만 아니라 브라운 운동, 광전 효과 등을 탄생시킨, 아마 전 세계에서 가장 유명하고 뛰어난 과학자일 것이다. 상대성 이론은 1905년에 발표된 특수 상대성 이론과 1916년 <중력장 방정식>이라는 제목으로 낸 일반 상대성 이론이 있다. 특수 상대성 이론은 기존의 갈릴레이의 상대성 원리에 광속 불변의 원리를 더하여 시공간이 상대적으로 변한다는 이론이며, 일반 상대성 이론은 여기에 중력이 반영되어 가속 운동을 하는 물체의 시공간이 휘어진다는 이론이다.

　이 책은 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강이라는 제목 하에 출판된 상대성 이론에 대한 책이다. 과학의 양대 산맥을 이루는 것이 양자역학과 상대성 이론이며, 양자 역학은 미시적인 세계를, 상대성 이론은 거시적인 세계를 다룬 이론이다. 언뜻 생각하기엔 양자 역학이 더 이해하고 받아들이기 힘들 것 같지만, 나에게는 상대성 이론이 훨씬 받아들이기가 힘들었다. 우선 공간의 상대성은 공간의 변화가 체감되기 때문에 괜찮았지만 시간의 상대성은 받아들이기가 힘들었다. 시간이라는 것은 모두에게나 똑같이 주어지고 똑같은 속도로 흐른다고 생각되기 때문이다. 이 책은 이처럼 받아들이기 힘든 상대성 이론을 4개의 챕터로 설명한다.

　챕터 1은 일반 상대성 이론의 증거가 되는 블랙홀에 대한 내용이다. 블랙홀은 중력이 매우 커 빛조차 빠져나갈 수 없는 곳으로, 흔히 블랙홀에 빠져들어간다고 생각하지만, 그 속도가 매우 빠를 뿐 단순히 떨어진다고 표현하는 것이 맞는다고 한다. 블랙홀에 대한 내용으로 상대성 이론에 들어가기 전 흥미를 높일 수 있었으며, 챕터 2에서 본격적으로 특수 상대성 이론에 대한 설명이 시작된다. 이론에 대한 설명은 물론이고, 다양한 가정, 그림과 함께 설명함으로써 이해를 돕는다. 빠른 속도로 지나가는 우주선 양 끝에 불빛을 키는, 상대성 이론을 설명하는 책에서 항상 등장하는 실험과 민코프스키 공간, 그리고 가장 유명한 공식 중 하나이며, 특수 상대성 이론이 발표된 해에 <물체의 질량은 그 에너지량에 따르는가?>라는 논문을 통해 소개된 E=mc^2 식과 함께 상대성 이론을 설명해 준다.

　챕터 3에서는 당시 절대적인 원리라고 받아들였던 뉴턴의 고전물리학이 어떻게 어긋나는지, 그리고 물체는 가장 가까운 경로인 직선으로 움직이고, 직진성을 띠는 빛 역시 직선으로 움직이지만 1919년 일식 현상에 의해 빛이 휨으로써 빛이 휘는 것이 아닌 빛이 지나는 공간이 중력에 의해 휘었기 때문에 빛이 휘어져 보이게 되는 것을 이해할 수 있다. 이외에 수성의 근일점 이동, 쌍둥이 역설 등에 대한 설명을 통해 일반 상대성 이론을 이해할 수 있도록 돕는다. 마지막으로 챕터 4에서는 이러한 이론들을 실질적으로 블랙홀과 팽창하는 우주에 어떻게 적용되고 있는지를 설명한다.

　상대성 이론을 설명하다 보면 수식이나 공식이 나오기 마련인데 복잡한 수식이나 공식 없이 다양한 실험을 통해 읽을 수 있는 책이었다. 도저히 이해가 되지 않는다면 청소년 책으로 분류되는 상대성 이론 책을 먼저 읽은 후 이 책을 읽는다면 상대성 이론이 하나씩 머릿속에 들어오는 상쾌함을 느낄 수 있을 것이다.