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#최강신 #빛보다 느린 세상 #상대성이론을 그림으로 이해하기! moongunkiss2016/03/20 22:16816

빛보다 느린 세상

수식없이 이해하는 상대성 이론

최강신


 

 



 

 

 

 

 

 


얼마전 중력파가 발견되었다는 이야기가 뉴스에 나와 전세계가 떠들썩 했던 일이 있었다. 과학에 관심이 없는 사람이라면 중력파가 무엇인지 모를 것이고, 중력파가 왜 중요한 것인지도 모를 수도 있다. 이 중력파는 아인슈타인이 100년전에 만들어낸 가설이었는데 이제야 중력파가 발견되면서 그것이 진실로 바뀐 것이다. 아인슈타인이 어떤 사람인지는 몰라도 이름은 한번 쯤 들어본 적 있을 것이다.

<빛보다 느린 세상>은 천재라고 일컬어지는 아인슈타인의 특수 상대성이론과 일반 상대성이론을 설명해 놓은 책이다. 상대성이론은 과학적으로도 어려운 내용이라서 물리학을 전공하지 않은 사람이라면 그 내용을 이해하기가 어렵지만 <빛보다 느린 세상>은 수식 없이 그림과 글로 설명해서 일반인들도 상대성이론에 대해 알 수 있게끔 저술한 책이다.
















헐리우드의 유명한 영화 중 하나인 '인터스텔라'에서 상대성이론이 나오는데 일반 사람들이 왜 같은 시간을 살고 있으면서도 시간이 차이가 나는지 모르는 사람들도 있었을 것이다. 상대성이론은 보는 사람의 관점에 따라서 시간의 흐름이 달라진다는 것이 기본 베이스이다.




"뜨거운 불판에 손을 대고 있으면 일 분이 한 시간 같지만,

예쁜 여성과 함께 있으면 한 시간이 일 분 같을 것이다.

이것이 상대성 이론이다.

- 알버트 아인슈타인

 
상대성이론은 시간과 공간, 중력이 어떻게 상호작용을 하는지에 따라서 변화하는 것을 말하는 것이다. 우리가 살고 있는 지구는 엄청난 속도로 자전과 공전을 하고 있지만 지구 위에 살고 있는 우리는 그 속도를 전혀 느낄 수 없다. 이것은 기차에 탄 사람이 기차에 탄 것을 느낄 수 없는 것과 마찬가지라고 볼 수 있다. 등속도로 움직이는 사람은 자신이 등속도로 움직이는지, 자신은 가만히 있는데 세상 모든 것이 반대방향으로 움직이는지 구별 할 수 없다. 그러나 가속도로 움직인다면 그것을 구별 할 수 있다. 만약 지구가 가속도로 움직인다면 전 세계의 인간과 동물들은 지구가 움직이고 있다는 것을 느낄 수 있지 않을까? <빛보다 느린 세상>은 세상에 대한 다양한 질문을 생각 할 수 있게 만들어주는 것 같다.














 





상대성이론에 절대 빠질 수 없는 것은 빛이다. 빛은 속력이 정말 빠르기 때문에 그 속도가 유한한 것인지를 느낄 수 없다. 그러나 빛에게도 속력이 있다. 이 빛의 속력을 재는 것을 책에서는 기차와 빛으로 설명을 하고 있다. 책에서는 특수 상대성이론을 먼저 설명한 다음 일반 상대성이론에 대해서 알려주고 있다. 사실 아인슈타인도 특수 상대성이론을 먼저 정립하고  10년 뒤에나 일반 상대성이론을 정립했다고 한다. 























책의 특수 상대성이론 부분을 읽다보면 영화 인터스텔라의 장면들이 떠오른다. 그때는 상대성이론에 대해 기본만 알고 있을 뿐 그것이 어떻게 적용 되는지 생각을 깊게 하지 못했었는데, 그들이 어떻게 젊은 모습으로 다시 만날 수 있는지, 딸은 왜 늙어버린 것인지 알 수 있게 되었다.







 







특수 상대성이론은 빛의 속력은 변하지 않고 모두가 일정한 등속도 운동으로 움직인다는 가정하에 만들어진 이론이다. 그에 반해 일반 상대성이론은 가속운동을 하면서 빛이 어떻게 변하는지 볼 수 있다. 빛과 물체는 시간이 천천히 흐르는 곳으로 이동을 한다고 본다. 이 시간이 천천히 흐르는 곳은 바로 중력이 작용을 하는 곳이다. 지구를 예로 들어 생각을 해본다면 지구에 가까이 갈 수록 시간의 흐름이 느려질 것이다. 지구에 가까이 갈 수록 시간이 흐름이 느려지는 이유는 "지구가 이 자리에 있어 주변의 시간에 영향을 미쳤기 때문"인 것이다. 가끔 과학 다큐멘터리를 보면 행성 아래에 그물망이 아래로 쳐져 있는 것을 보았지만 왜 그런지 몰랐었는데 이 내용을 보고 왜 그런 그림을 그린 것인지 조금은 이해할 수 있게 되었다.
















일반 상대성이론은 가장 단순한 설명이지만 이 이론 하나만으로 빛이 왜 휘는지 알 수 있고, 뉴턴의 중력 이론도 보정할 수 있다. 일반 상대성이론은 수식이 쉽지는 않지만 간단한 몇 가지 원리로 우리가 볼 수 있는 거의 모든 것을 설명한다. 상대성이론은 시간과 공간이 무엇으로 이루어졌는지는 설명 할 수 없지만, 공간은 절대적인 것이 아니라 중력의 영향을 받으며, 물체가 이동하거나 보는 사람이 이동하는 것에 따라 다르다는 것을 알 수 있다.







우리는 시간과 공간 자체를 조작할 수는 없지만 물질을 어떻게 놓으면 시간과 공간이라는 물이 다른 물길로 흐르도록 만들 수 있는지는 알 수 있게 되었다. 가령, 시간 여행 장치를 만드는 것은 적당한 물체들을 적당한 위치에 놓는 일이 될 것이다.

-329p



우리가 우주를 생각하면 언제나 떠올리는 블랙홀은 양자 역학과 함께 생각을 해야하는데 블랙홀의 질량과 온도를 연관 지을 수도 있다고 한다. 블랙홀의 크기는 엔트로피라는 양과 연관지을수 있고 이것은 끈이론이 엔트로피를 예견한다고 말하고 있다. 내가 좀 더 알고 싶었던 끈이론에 대해서는 짧게 나와서 아쉽지만 양자역학이라는 어려운 분야와 관계가 있기 때문에 양자 역학과 끈이론이 명확하게 풀린다면 수식 없이 이해하는 끈이론에 대한 책도 나왔으면 하는 바람이다.










책의 뒷부분에는 수식으로 이해하는 상대성이론의 부분이 있는데 수식에 대해 잘 모르는 나같은 일반인이라면 한 번 정도는 읽고 넘어가도 될 것 같다. 이것을 다 풀이하는 것은 물리학도에게나 가능할 것 같지만 앞서 이야기한 내용들을 정리하는 셈치고 읽는다면 상대성이론에 대해 정리를 할 수 있는 시간이 될 것이다. 책의 주석 부분도 꼼꼼히 읽는다면 어렵게만 느껴졌던 상대성이론에 대해 다른 사람에게 설명하고 인터스텔라를 제대로 이해할 수 있을 정도의 지식을 갖출 수 있을 것 같다.

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