작가의 말 4
1장 빠르게 달리고 있는 지구와 상대성 원리
『천체 회전에 관하여』의 이상한 서문 12
우주 중심에 정지해 있는 지구 17 빠르게 달리고 있는 지구 19
『두 우주 체계에 대한 대화』 22 상대성 원리 25
상대성이론 세상 산책: 차멀미는 왜 나는 것일까? 32
2장 중력법칙과 운동법칙
『자연철학의 수학적 원리』 36
관성의 법칙 39 가속도의 법칙 43 작용과 반작용 45
빛보다 더 빠르게 달리는 것도 가능하다 46
중력법칙 48
무거운 물체와 가벼운 물체는 어느 것이 더 빨리 떨어질까? 50
운동량과 에너지 52
물리량과 상대속력 53
상대성이론 세상 산책: 위대한 발명가이기도 했던 뉴턴 57
3장 빛과 전자기파
맥스웰과 전자기파 62
17세기의 빛에 대한 연구 66 19세기의 빛에 대한 연구 71
전자기파의 발견 74 마이컬슨과 몰리의 실험 76 물리학에 나타난 불협화음 81
상대성이론 세상 산책: 아인슈타인 이전에 상대성이론에 다가갔던 사람들 84
4장 아인슈타인의 생애
아인슈타인의 기적의 해 88
고등학교를 중퇴한 아인슈타인 92 아라우 고등학교 94
스위스 연방공과대학 96 아인슈타인의 기적의 해 이후 97
다시 독일로 돌아온 아인슈타인 100 통일장 이론 104
상대성이론 세상 산책: 나의 흔적을 남기지 마라 105
5장 특수상대성이론
누구의 측정값이 옳은 것일까? 108
상대성 원리와 광속 불변의 원리 111
로렌츠 변환식 115
로렌츠 변환식의 의미 119
상대성이론 세상 산책: 빛의 속력이 느린 세상에서는 어떤 일이 일어날까? 123
6장 시간지연과 길이의 수축
어떤 폭발이 먼저 일어났는가? 126
속력 더하기 129 동시성과 시간지연 132 길이의 수축 137
상대성이론 세상 산책: 작은 차고에 큰 자동차가 들어갈 수 있을까? 140
7장 질량과 에너지
빛보다 빠른
책은 상대성이론과 연결된 과학 역사를 기초로 한 총 9개의 장으로 이루어져 있으며, 각각의 장은 세 부분으로 구성되어 있다.
- 호기심을 돋우는 과학자 또는 핵심적 문제를 제기하는 도입
코페르니쿠스가 지구 중심설에 이의를 제기하며 『천체에 관하여』라는 책을 내면서도 기성 과학의 권위에 짓눌려 머뭇거리는 장면, 새로운 과학시대를 연 뉴턴 이야기, 특히 행성의 크기를 측정하는 한석 박사의 공상과학 소설 이야기는 상대성이론을 이해하기 위해 기존의 우리 상식을 깨야 함을 알려 준다는 점에서 압권이다.(5장 이어지는 6장의 도입에서도 공상과학 소설 기법을 인용하여 빛보다 빠르게 달리는 것이 왜 불가능한지 알려 줌으로써 우리의 상식을 깨는 데 큰 도움을 준다. 도입 말미에서는 ‘누구의 주장을 받아들여야 할까?(110쪽’ ‘과연 특수상대성이론에 의하면 빠른 속력에서는 질량이 어떻게 변할까?(146쪽’와 같은 질문으로 호기심을 증폭시킨다.
- 과학적 문제 제기 이후 전개되는 과학 개념과 실험적 증명을 소개하는 본문
본문에서는 도입에서 제기되었던 과학적 문제들을 풀기 위한 과학 개념과 실험적 증명들이 소개된다. 예를 들어 5장 특수상대성이론의 도입에서 제기되었던 행성의 크기 측정 문제에 대해 기존의 뉴턴역학을 깨야 하는 이유가 제기된다. 기존의 과학자들은 뉴턴역학의 범주에서 행성의 크기를 측정하려 했기에 답을 찾을 수 없었다. 하지만 자유로운 영혼이었던 아인슈타인은 기존의 뉴턴역학에 얽매이지 않았기에 특수상대성이론을 완성할 수 있었다. 8~9장의 일반상대성이론에서 아인슈타인은 빛처럼 빠른 속력에서의 가속도 운동 문제를 제기한다. 기존 뉴턴역학에서는 생각조차 하지 못했던 부분이다. 아인슈타인이 제기한 특수상대성이론과 일반상대성이론이 여러 과학 개념과 수식에 의해 증명되는 과정이 의외로 쉽게 전개되고, 다른 과학자들에 의해 증명되어 나가는 과정도 흥미롭게 진행된다.
- 상대성이론을 우리 삶에 접목시키는 ‘상대성이론 세상 산책’
과학이 아무리 중요해도
