상대성이론 ABC(큰글자책)(돋을새김 푸른책장 시리즈37)

과학적 사고방식과 철학적 통찰의 만남

1925년에 출간된 이 책은 물리학과 철학의 경계를 넘나들며 상대성이론을 명쾌하게 설명하는 고전으로, 현대 과학의 중요한 전환점을 이해하는 데 필수적인 내용을 담고 있다. 버트런드 러셀은 철학자이자 수학자로서, 상대성이론의 혁명적인 개념을 쉽게 풀어내 독자들이 과학의 본질을 이해하도록 돕는다. 또한 그의 독창적인 시각과 명확한 비유 그리고 논리적인 설명은 복잡하게 느껴질 수 있는 아인슈타인의 이론을 체계적으로 접근할 수 있도록 안내한다.

[본 문]

제1장 촉각과 시각, 지구와 하늘 … 13

제2장 어떤 일이 일어났고, 어떤 것이 관찰되었나? … 26

제3장 빛의 속도 … 39

제4장 시계와 자 … 53

제5장 시공간 … 67

제6장 특수 상대성이론 … 79

제7장 시공간의 간격 … 94

제8장 아인슈타인의 중력법칙 … 112

제9장 아인슈타인 중력법칙의 증거들 … 130

제10장 질량, 운동, 에너지, 작용 … 141

제11장 우주는 유한할까? … 156

제12장 관습과 자연법칙 … 169

제13장 ‘힘’의 폐기 … 183

제14장 물질이란 무엇인가? … 196

제15장 철학적 결과들 … 208

 

부록 뉴턴과 아인슈타인: 중력 이론의 주요 차이점은 무엇일까 … 220

[본 문]

물체의 크기가 그 움직임에 영향을 받는다는 생각의 근거가 발견되었다. 예를 들어, 당신이 정육면체를 들고 매우 빠르게 움직이면 함께 움직이지 않는 사람의 관점에서는 운동 방향으로 짧아지지만, 함께 이동하는 관찰자의 관점에서는 원래의 상태를 유지한다.

더 놀라운 것은 시간의 흐름이 운동에 좌우된다는 발견이다. 즉, 완벽하게 정확한 두 개의 시계 중 하나가 다른 것에 비해 상대적으로 매우 빠르게 움직여 여행 후에 다시 만나게 된다면 똑같은 시간을 계속 나타내지 않는다는 것이다. (33쪽)

 

어떤 현상이 한 관찰자에게 나타나는 대로 설명되든 다른 관찰자에게 나타나는 대로 설명되든 현상의 ‘법칙’은 동일해야 한다. 이 하나의 원리가 전체 상대성이론이 등장한 동기이다.(36쪽)

 

상대성이론에서 흥미로운 일들은 대부분 빛의 속도와 관련이 있다. 이처럼 중대한 이론적 재구성의 이유를 이해하려면 기존 체계가 무너지는데 원인을 제공한 사실들에 대해 어느 정도는 알고 있어야 한다. (39쪽)

 

빛의 속도에는 또 다른 흥미로운 점이 있다. 그 중 하나는 아무리 큰 힘이 가해지더라도, 그리고 그 힘이 아무리 오랫동안 작용하더라도 그 어떤 물질도 빛만큼 빠르게 이동할 수 없다는 것이다. (50쪽)

 

상대성이론에 대해 들어본 사람이라면 누구나 ‘시공간’이라는 용어를 알고 있으며, 이전에 ‘공간과 시간’이라고 했던 용어 대신 사용하는 것이 옳다는 것도 알고 있다. 그러나 수학자가 아닌 대부분의 사람들은 이 용어 변경의 의미를 명확히 이해하지 못한다. 특수 상대성이론을 더 다루기 전에, ‘시공간’이라는 새로운 용어가 무엇을 포함하고 있는지 전달하려고 한다. 이 용어는 철학과 상상력이라는 관점에서, 아인슈타인이 도입한 모든 새로운 개념들 중 가장 중요한 것일 수 있다. (67쪽)

 

아인슈타인 이전에는 측정이 가능한 한도 내에서 유클리드 기하학이 사실이라고 확인되었다고 생각했지만 이제는 더 이상 그렇게 생각하지 않는다. 여전히 자연스러운 방법으로, 지구와 같은 작은 영역 내에서는 유클리드 기하학이 사실인 것처럼 보이게 할 수 있다. 그러나 아인슈타인은 중력을 설명하면서 물질이 있는 큰 영역에서는 공간을 유클리드적으로 간주할 수 없다는 견해를 갖게 되었다.(107쪽)

 

정통적인 견해에 따르면, 진공에서 빛은 항상 직선으로 이동해야 했다. 물질입자로 구성되지 않는 빛은 중력의 영향을 받지 않아야 한다. 그러나 기존의 개념을 크게 어기지 않으면서도, 태양 근처를 지날 때 빛이 마치 물질입자로 구성된 것처럼 직선 경로에서 벗어나 굴절될 수 있다는 것을 인정하는 것도 가능했다. 하지만 아인슈타인은 자신의 중력법칙으로부터 도출된 결론으로, 빛이 이보다 두 배나 더 굴절될 것이라고 주장했다.(131~132쪽)