Name: 상대성이론의 결정적 순간들
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상대성이론의 결정적 순간들

세계에 대한 관점을 뒤바꾼 가장 유명한 이론의 탄생과 발전

김재영 저 | 현암사 | 2023년 08월 25일

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발행일	2023년 08월 25일
쪽수, 무게, 크기	352쪽 \| 490g \| 14021521mm

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판매자 : 리틀북스 5점 (12명 평가)

책소개

뉴턴의 고전 역학을 뒤엎은 “가장 아름답고 완벽한 이론” 우리가 살아가는 세계를 이해하기 위해 꼭 알아야 하는 상대성이론은 어떻게 태어났고 발전했으며 우리의 삶과 사고에 어떤 영향을 미쳤는가? 물리학 박사 김재영이 결정적 장면들을 통해 들려주는 상대성이론의 탄생과 발전에 관한 이야기! 과학을 잘 모르는 사람이라도 아인슈타인과 상대성이론은 누구나 들어보았을 것이다. 아무렇게나 흩날리는 머리카락에 콧수염, 장난스러운 표정을 짓는 아인슈타인의 모습은 그 자체로 ‘천재’의 이미지로 자리 잡았다. 실제로 그는 이전까지의 과학적 지식을 전복하는 상대성이론을 발견해, 전무후무한 천재로 불린다. 그런데 상대성이론이 정말 ‘천재’ 아인슈타인 혼자만의 성과일까? 뉴턴이 완성한 고전 역학을 무너뜨리고 세계를 이해하는 사고방식의 완전한 전환을 가져온 상대성이론. 현대 과학과 기술, 우주론을 이해하는 데 없어서는 안 될 이 이론은 난해하기로 유명하지만 그 중요성 때문에 누구나 한번쯤 호기심을 갖는 대상이기도 하다. 상대성이론은 단순히 과학뿐 아니라 사회 문화 철학에도 엄청난 영향을 미쳤다. 그러므로 상대성이론을 모르고서는 이 세계의 작동 원리를 이해하지 못할뿐더러, 현대인의 사고체계를 제대로 파악한다고 할 수 없다. 『상대성이론의 결정적 순간들』은 오랫동안 상대성이론을 역사적, 철학적으로 어떻게 이해할지에 깊은 관심을 갖고 글을 써온 김재영 박사가 상대성이론이 어떻게 발전해 왔는지, 또 그 핵심은 무엇인지 일반 독자의 눈높이에서 쉽고 재미있게 이야기해 주는 책이다. 이미 서점에는 상대성이론을 다루는 많은 책이 나와 있다. 그러나 이 중에는 일반상대성이론이 아닌 특수상대성이론만을 해설하는 데 그치거나, 쉽게 설명하기 위해 논리적 비약이 있는 비유를 사용하거나, 천재로서의 아인슈타인의 업적만을 강조하는 경우가 많다. 상대성이론은 시간과 공간과 물질에 관한 가장 근본적인 이론이며 과학이론의 본성을 잘 드러내는 이론인 만큼 역사적 문화적으로 좀 더 풍부한 맥락에서 다뤄져야 할 필요가 있다. 그런 면에서 이 책은 상대성이론이 어떤 경로로 발전되어 왔는지 역사적인 전개를 살펴보며, 이 놀라운 이론이 사상사에 어떤 인식의 전환을 가져왔는지 다룬다. 또 다양한 자료 사진과 삽화, 도표 등이 이해를 돕고 읽는 재미를 더해준다. 이 책을 읽고 나면 상대성이론이 어떤 배경 속에서 여러 과학자, 수학자들의 노력 끝에 탄생했는지, 그 핵심이 도대체 무엇인지, 그리고 이 놀라운 이론의 탄생 이후 세계를 바라보는 관점은 어떻게 바뀌었는지 알게 될 것이다. 나아가 독자 역시도 우리가 살아가는 세계를 이해하는 시야가 확 트임을 느낄 것이다.

들어가며. 004 I 상대성이론의 실마리 1장 뉴턴 vs 아인슈타인 014 “뉴턴이여, 나를 용서하시길!” | 뉴턴의 ‘기적의 해’ 신화 2장 원격작용과 마당이론 032 뉴턴 역학의 힘과 물질 | 질량과 무게 3장 공간이란 무엇일까? 059 뉴턴과 라이프니츠의 공간 논쟁 아인슈타인과 가우스와 비유클리드 기하학 II 기적의 해와 시공간 4장 아인슈타인의 기적의 해 1905년 082 아인슈타인의 학창시절 | 아인슈타인의 박사학위논문 5장 1908년, 절대세계의 가설 105 민코프스키의 「공간과 시간」 | 세계선과 지속성 논쟁 6장 운동질량과 우주선 사고실험.122 질량이 정말 속도에 따라 달라질까? | 드원 ― 베란 ― 벨 우주선 사고실험 III 일반상대성이론의 탄생 7장 베른에서 베를린까지 146 “생애에서 가장 운 좋은 생각” | 아인슈타인과 힐베르트의 표절 논쟁 8장 도대체 일반상대성이론이 무엇일까? 157 일반상대성이론의 기초 | 상대성원리, 동등성원리, 중력장 방정식 일반상대성이론이 탄생하기까지 9장 전쟁의 포성 속에서 우주의 비밀에 접근하다 188 슈바르츠실트의 풀이 | 일반상대성이론과 우주론 IV 가장 아름답고 완벽한 이론 10장 일반상대성이론 입증되다 208 1919년의 개기일식 | 우주론을 바꾼 역사 뒤편의 영웅들 11장 일제강점기 한반도의 스타, ‘아박사’ 또는 ‘아인씨’ 235 빛에도 무게가 있다!! | 동아시아에 온 아인슈타인 “뉴톤에서 아인스타인까지” V 상대성이론의 해석 12장 상대성이론을 어떻게 해석해야 할까 270 상대성이론의 존재론 | 중력장 방정식의 해석과 상대성이론의 철학적 측면 일반상대성이론과 다양체 실재론 현대 물리학에서 에테르는 자취를 감추었을까? 13장 상대성이론을 넘어서 297 상대성이론은 상대주의적인가? | 베르너 하이젠베르크의 1937년 하이젠베르크와 그레테 헤르만의 대화 | 물리학 밖의 일반상대성이론 14장 모든 것의 이론? 325 주 334 참고문헌 339 찾아보기 342

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저자 소개 (1명)

저 : 김재영 (金載榮)

작가 파일

서울대학교 물리학과에서 물리학 기초론 전공으로 박사 학위를 받았다. 독일 막스 플랑크 과학사 연구소 초빙교수, 서울대 강의교수, 이화여대 HK연구교수 등을 거쳐 현재 KAIST 부설 한국과학영재학교에서 물리학의 역사와 철학을 가르치고 있다. 저서로 『상대성이론의 결정적 순간들』, 공저로 『교차 1호: 지식의 사회, 사회의 지식』, 『정보혁명』, 『양자, 정보, 생명』, 『뉴턴과 아인슈타인』 등이 있고, 공역으로 ... 서울대학교 물리학과에서 물리학 기초론 전공으로 박사 학위를 받았다. 독일 막스 플랑크 과학사 연구소 초빙교수, 서울대 강의교수, 이화여대 HK연구교수 등을 거쳐 현재 KAIST 부설 한국과학영재학교에서 물리학의 역사와 철학을 가르치고 있다. 저서로 『상대성이론의 결정적 순간들』, 공저로 『교차 1호: 지식의 사회, 사회의 지식』, 『정보혁명』, 『양자, 정보, 생명』, 『뉴턴과 아인슈타인』 등이 있고, 공역으로 노버트 위너의 『인간의 인간적 활용』, 제임스 클러크 맥스웰의 『전기자기론』, 피터 갤리슨의 『아인슈타인의 시계, 푸앵카레의 지도』, 피터 하먼의 『에너지, 힘, 물질』 등이 있다.

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책 속으로

뉴턴에게 결정적인 KO 펀치를 날린 것은 그로부터 10년 뒤의 일이다. 뉴턴의 가장 중요한 공로는 보편중력의 법칙을 세운 것이다. 모든 물체 사이에는 거리의 제곱에 반비례하는 힘이 작용한다는 ‘만유인력의 법칙’을 의심하는 것은 곧 물리학을 의심하는 것처럼 여겨져 왔다. 그러나 물체가 직접 만나거나 부딪치지도 않으면서 서로 힘을 미친다는 관념은 뉴턴 당시에도 쉽게 받아들여지지 않았다. 이 ‘원격작용의 난제’를 해결한 것이 바로 아인슈타인이다. 아인슈타인에게 보편중력은 물체들이 멀리 떨어진 채 서로 신비한 힘을 미치는 것이 아니었다. 아인슈타인이 새로 제안한 중력의 개념은 하나의 물체가 그 주변에 만들어내는 중력마당과 그 중력마당이 다른 물체에 영향을 미치는 것이었다. --- p.18~19 흔히 ‘기적의 해’라고 불리는 1905년에 아인슈타인은 획기적인 논문 다섯 편을 쓰는 기염을 토했지만, 그 자신도 특수상대성이론이 중력의 문제를 해결하지 못하는 불완전하고 어정쩡한 이론임을 잘 알았다. 1911년 모교 취리히 연방공과대학에서 교편을 잡게 된 아인슈타인은 어떻게 중력을 이 이론에 포함시킬 수 있을지 감을 전혀 잡지 못하고 있었다. 그가 나중에 ‘생애에서 가장 운 좋은 생각’이라고 회고한 1907년의 사고실험이 거의 전부였다. 이 사고실험에 따르면 지붕에서 떨어지는 사람에게서는 중력을 검출할 수 없다. 그렇다면 중력에 의한 효과와 관찰자가 속해 있는 좌표계의 가속에 의한 효과는 구별할 수 없고 사실상 동등하다. 효과를 구별할 수 없다면 이 둘은 같은 것이라고 볼 수 있다. 이것이 소위 등가원리이다. 그러나 이렇게 ‘운 좋은 아이디어’를 얻더라도 그로부터 의미 있는 실제 물리이론을 발전시키는 과정은 매우 험난하고 힘겹다. --- p.72 하지만 이렇게 시간을 네 번째 차원으로 받아들이고 나면, 놀랍게도 변화라는 것이 있을 수 없게 된다. 3차원 공간과 1차원 시간을 구분하면 이곳에 있던 물체가 저곳으로 옮겨가고 그 동안 유한한 시간이 흐르는 ‘운동’이라는 것이 일상적인 일이 된다. 그러나 4차원 시공간에서는 그 모든 운동이 그냥 세계선이라는 고정된 선과 정확히 같다. 4차원 시공간을 볼 수 있는 사람의 관점에서는 4차원 세계란 많은 세계선들이 얼어붙어 있는 모습이다. --- p.110~111 시간~공간에 대한 존재론적 관념은 자연과학이 최종적인 답을 준다기보다는 자연과학의 최신 결과와 충돌하지 않게 덧붙여지는 것이라고 봐야 한다. 심지어 자연과학과 충돌하더라도 존재론적 관념을 폐기해야 하는 것이 아니기도 하다. 물리학 이론에서 어떤 새로운 주장을 하고 그것이 실험을 통해 입증되었다고 하더라도, 마음속에서는 시간과 공간이 동등하지 않다는 느낌이 분명하게 있기 때문이다. 그리고 다행스럽게도 시간과 공간에 대한 철학적 논의는 상대성이론을 통해 종결되지 않는다. 그래서 여전히 현재주의~이동지속론을 상대성이론과 충돌하지 않는 방향으로 수정하고 개선하는 노력이 계속되고 있다. --- p.121 일반상대성이론으로 가는 길목에서 가장 중요한 디딤돌 역할을 하게 되는 아이디어 중 하나가 바로 중력의 효과와 가속되는 좌표계의 효과는 구분할 수 없다는 점이었다. 후에 아인슈타인은 이를 동등성원리라고 부르면서 일반상대성이론을 구성하는 기초적인 지도원리로 삼았다. 그러나 이 아이디어 이후에 프라하에 가기까지 아인슈타인은 자신의 생각을 확장하여 제대로 된 이론을 전개할 수가 없었다. 당장 특허국도 그만둘 형편이 아니었고, 베른 대학교의 강의는 아침 일찍이 아니면 저녁에 해야 했다. 취리히 대학교 부교수 자리를 얻었지만, 다른 연구에 정신없이 몰두해 있었고, 프라하에 가서야 비로소 차분하게 몇 년 전의 아이디어를 되새길 시간 여유를 가질 수 있었다. 그가 찾고자 했던 것은 특수상대성이론에서처럼 가속되지 않는 좌표계가 아니라 일반적인 모든 좌표계, 다시 말해서 가속되는 좌표계에서도 물리법칙이 모두 동등하게 성립하는 이론이었다. --- p.179 일반상대성이론도 마찬가지다. 새로운 이론으로 태어났다고 하지만, 그 이론을 써서 관심을 두고 있는 현상을 정확히 풀어내지 못한다면 이론이 제대로 역할을 하지 못한다. 요즘은 이론에서 필요로 하는 방정식이 명확하게 있으면 컴퓨터를 이용하여 방정식을 풀어내는 것이 비교적 쉬운 일이 되었지만, 아인슈타인 당시만 해도 이런 것은 상상할 수 없는 일이었다. 그래서 새로운 이론을 만들어내는 것만큼이나 그 이론에 담겨 있는 방정식을 풀어내는 일이 크나큰 과제였다. 이 일을 처음 해낸 것은 아인슈타인이 아니라, 아인슈타인보다 6년 일찍 태어난 독일의 천문학자 슈바르츠실트였다. --- p.190~191 이런 상황이 크게 달라진 것은 유명한 1919년 일식 관측 덕분이었다. 만일 일반상대성이론의 주장대로 시공간이 비유클리드 기하학으로 서술되어야 한다면, 가령 태양 주변을 지나가는 별빛도 곡선을 따라 움직여야 한다. 아인슈타인은 태양이 있을 때와 없을 때를 비교하면 1.6초의 각만큼 차이가 나리라는 것까지 계산하는 데 성공했다. 따라서 이 두 경우를 관측하여 비교함으로써 일반상대성이론이 옳은 이론인지 아닌지 판별할 수 있다. 뉴턴이 옳은가, 아니면 아인슈타인이 옳은가의 문제가 되는 것이다. 그런데 태양이 있을 때에는 별을 볼 수 없다. 따라서 뉴턴과 아인슈타인 중 누가 옳은지 판별하기 위해서는 개기일식을 기다려야 했다. --- p.211 아인슈타인은 하룻강아지답게 복잡한 것들을 모두 단순화시키고, 몇 가지 기본 전제들을 그냥 가정해 버린 채 그다음 이야기를 풀어갔는데, 그것이 바로 가장 혁명적인 요소였다. 역사적으로 아인슈타인을 추앙할 만하지만, 아인슈타인 혼자 독불장군으로 해냈다고 생각하는 것은 옳지 않다. 수많은 사람(심지어 막스 아브라함 같은 불운한 물리학자까지 포함하여)의 다양한 시도와 노력이 모인 것이라고 해야 할 것이다.

--- p.295

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출판사 리뷰

뉴턴의 만유인력부터 기적의 해를 거쳐 마침내 일반상대성이론이 탄생하기까지 어떤 이론이든, 그것이 탄생하기 위해서는 그때까지 쌓여온 여러 지식들이 바탕이 되어야 한다. 상대성이론도 예외는 아니다. 이 책은 아인슈타인이 상대성이론을 발표하기까지 물리학계의 흐름과 논의를 차근차근 짚어주는데, 그것을 따라가는 것만으로도 상대성이론이 무엇인지 점차 윤곽을 그릴 수 있다. 저자는 우선 17세기 자연철학에서 가장 중요한 쟁점이 되었던 뉴턴 역학의 힘과 물질 문제, 질량의 개념을 짚고, 라이프니츠와 클라크의 공간에 관한 논쟁을 살펴봄으로서 상대성이론의 실마리를 풀어간다. 이러한 과학적 배경 속에서 ‘기적의 해’라 불리는 1905년 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표한다. 그러나 특수상대성이론은 이름 그대로 관성계라는 ‘특수한’ 상황에서만 통용되는 한계가 있는 이론이었다. 10여 년의 연구 끝에 아인슈타인은 결국 모든 좌표계에서 통용될 수 있는 일반상대성이론을 발표한다. 이 과정에서 저자는 특수상대성이론을 일반 이론으로 확장하는 데 큰 역할을 한 민코프스키 시공간, 비유클리드 기하학인 리만 기하학을 아인슈타인이 어떻게 받아들였는지 차례로 소개하며, 중력장 방정식을 완성하는 데 있어 결정적인 역할을 한 힐베르트와의 경쟁 이야기도 살펴본다. 특히 힐베르트의 경우 사실상 아인슈타인보다 한 발짝 먼저 중력장 방정식을 완성한 것으로 생각되는데, 저자는 그런 이유로 ‘힐베르트-아인슈타인 중력장 방정식’이라고 부르는 게 정당할 것이라고 말한다. 과학의 발전에는 늘 숨은 공로자가 있다 이렇게 상대성이론의 전개를 살펴보는 과정에서 가장 두드러지는 이 책의 미덕은 잘 알려지지 않은 이들이 이룬 성과에도 주의를 기울인다는 점이다. 앞에서 언급한 힐베르트 같은 경우는 중력장 방정식이 아니더라도 너무나 유명한 수학자였지만, 상대성이론의 발전과 증명, 전파 과정에서 이름조차 제대로 알려지지 않은 공헌자들이 많다. 우주에 떠 있는 망원경 이름으로 유명한 허블은 1929년 은하들이 모두 우리 은하로부터 멀어지고 있음을 밝혀냈다. 바로 외부 은하의 후퇴 속도는 거리에 비례하여 커진다는 허블의 법칙이다. 그러나 사실 이 법칙은 이미 2년 전 벨기에의 사제이자 물리학자인 조르주 르메트르가 발표한 바 있었다. 르메트르는 아인슈타인 중력장 방정식을 통해 팽창하는 우주를 나타내는 풀이를 완전하게 제시했는데, 프랑스어로 된 이 논문이 국제적으로 잘 알려지지 않았던 것이다. 2018년에 이르러서야 국제천문연맹에서 ‘허블의 법칙’이라는 이름 대신 ‘허블-르메트르의 법칙’으로 변경하는 제안이 통과되었다. 허블은 또한 윌슨산 천문대에서의 관측을 통해 위의 발견을 했는데, 당시 고등교육을 받지 못하고 천문대 잡역부로 고용되었던 밀턴 허머슨은 천문 관측 기술에 뛰어난 재능을 보였다. 620여 개에 달하는 은하의 사선방향 속도를 정확히 관찰하여 측정한 허머슨의 도움이 없었다면 허블의 법칙은 증명되기 힘들었다. 하지만 승부욕이 강하고 오만한 성격이었던 허블은 자신의 가장 중요한 동료를 무시하며 그를 제대로 대우해 주지 않았다. 저자는 과학의 발전에서 상대적으로 소외되었던 여성 과학자들에게도 조명을 비춘다. 당시 대학에서 천문학이나 수학을 공부하고도 변변한 직장을 얻지 못한 많은 여성들이 저임금으로 하버드 대학교 천문대에서 관측과 계산 업무를 하고 있었다. 그중 헨리에타 스완 리빗이라는 관측천문학자는 세페이드 변광성을 연구하여 그 주기와 광도 사이의 관계를 발견했는데, 이 발견은 허블 연구의 근간이 되고 천문학의 역사에 엄청난 영향을 미친 업적이었다. 그러나 리빗은 그 뛰어난 성과에도 불구하고 당대에는 거의 주목받지 못했다. 사람들은 스타에 열광하고, 극적인 스토리에 곧잘 주목한다. 그러나 과학에서 잘 알려진 발견들도 사실은 그렇게 단순하지 않은 경우가 많다. 어떤 법칙이 성립하기 위해서는 여러 이론들이 경쟁하고 관측을 통해 입증되는 지난한 과정이 필요하다. 또 새로운 이론이 등장한다고 해도 그것을 어떻게 받아들여질지 의견이 분분한 경우도 많다. 이 책은 인류의 가장 놀라운 업적으로 꼽히는 상대성이론의 태동과 탄생, 발전과 전파 과정을 설명하며 그 과정에서 우리가 놓친 많은 부분들을 되짚어 준다. 어디에서도 쉽게 보지 못했던 상대성이론에 관한 다채로운 이야기들이 과학적 사고의 폭을 넓혀줄 것이다.

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