박홍균: 세상에서 가장 쉬운 상대성이론

 

세상에서 가장 쉬운 상대성이론 - 박홍균 지음, 배민경 그림/이비락

1장 상대성이론에 들어가기 전에
2장 특수상대성이론 _ 등속도 세계의 물리 법칙
3장 일반상대성이론 _ 가속도 세계의 물리 법칙
상대성이론을 마치면서

4장 부록

참고 문헌
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9 상대성이론 이야기를 네게 들려주기 전에, 먼저 왜 상대성이론을 알아야 하는지부터 이야기해 보자꾸나.

사람들은 세상을 살아가면서 많은 것을 보고 겪게 되지. 네가 자라나면서 봐온 세상도 충분히 흥미롭고 새로웠겠지만, 아인슈타인의 상대성이론은 지금까지 네가 살아오면서 봐온 세상과는 완전히 새로운 세상을 보여준단다. 그리고 이 이야기를 하려는 동기도 그런 세상을 너에게도 보여주고 싶은 것이란다. 우리가 사는 삶이 한 번뿐이라면 우리가 사는 세상에 완전히 새로운 세상이 있다는 사실을 모르고 지나간다는 것이 너무 억울하지 않겠니? 네 말처럼 공학이나 자연과학을 전공하지 않고, 인문학 분야를 전공한다 하여, 공학 또는 과학자들이나 알면 되는 상대성이론을 굳이 알 필요가 없을 것이라 생각할 수도 있겠지만, 아빠는 그렇게 생각하지 않는다. 지금까지 너는 견문을 넓히기 위해 여행을 했었고, 또 앞으로도 하게 되겠지. 그리고 여행을 통해 새로운 세상을 만나면서 재미도 느끼고 많은 것을 배우겠지. 이런 지식이 네가 공부를 하거나 살아가는 데 많은 도움이 될 거야. 만약 새로운 것을 배우기 위해 여행을 한다면, 아인슈타인의 상대성이론이야 말로 가장 멋진 여행이 될 것이다. 

20 아인슈타인의 상대성이론은 1905년에 발표한 특수상대성이론과 1915년 말에 발표한 일반상대성이론으로 나뉜단다. 그런데 이 두 이론은 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642년)의 상대성 원리를 기초로 하고 있지. 그렇다면 갈릴레이의 상대성원리와 아인슈타인의 특수상대성이론과 일반상대성이론을 비교해보자. 

◆ 갈릴레이의 상대성원리
모든 운동은 상대적이며, 등속 운동을 하는 모든 관찰자에게는 같은 물리법칙이 적용된다.

◆ 아인슈타인의 특수상대성이론
모든 운동은 상대적이며, 등속 운동을 하는 모든 관찰자에게는 같은 물리 법칙이 적용된다. 단, 같은 물리 법칙이 적용되기 위해서는 등속 운동을 하는 시공간의 시간은 느리게 가야 하고, 길이는 짧아져야
한다.

◆ 아인슈타인의 일반상대성이론
모든 운동은 상대적이며, 가속 운동을 하는 모든 관찰자에게도 같은 물리 법칙이 적용된다. 단, 같은 물리 법칙이 적용되기 위해서는 가속 운동을 하는 시공간(혹은 중력을 받는 시공간)은 휘어져야 한다.

173 그럼 지금까지의 이야기를 요약해 보자.
(1) 중력은 힘이 아니다.
(2) 모든 관찰자에게는 같은 물리 법칙이 성립한다. (갈릴레이의 상대성원리)
(3) 중력은 힘이 아니고. 모든 관찰자에게 같은 물리 법칙이 성립하려면, 중력이 없는 곳에서 직선 운동을 하는 공은 중력이 있는 곳에서도 직선 운동을 해야 한다. 
(4) 직선 운동을 해야 하는 공이 포물선 운동을 하는 것처럼 보이는 것은 시공간이 휘어져 있기 때문이다.

질량으로 인해 휘어진 4차원 공간을 직접 눈으로 보는 것은 어렵지만, 수학적으로 표현하는 것은 가능하단다. 아인슈타인의 일반상대성이론이 바로 휘어진 4차원 공간을 수식으로 표현하고 있단다.

결국, 일반상대성이론에서는 중력이 있는 시공간에서나 중력이 없는 시공간에서나 똑같은 물리 법칙이 성립(예를 들면, 중력이 있거나 중력이 없거나 앞으로 던진 공은 직선운동을 한다)하는데, 다만 중력이 있는 시공간에서는 시공간이 휘어져 있기 때문에 다르게 보일 뿐이라는 것이야. 

이 이야기를 다르게 표현해보면 하나의 물리 법칙이 모든 시공간에 똑같이 적용되려면, 중력을 받는 시공간(즉, 질량 주변의 시공간)은 휘어져야 한다고도 말할 수도 있겠지. 달리 표현하면 '아인슈타인의 상대성이론은 운동 법칙의 절대성을 고수하기 위해 시공간에 상대성을 부여했다.'는 이야기가 되지.