상대성 이론: 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론

아인슈타인이 직접 말하는 상대성 이론
상대성 이론에 대한 책과 그 해설서가 많이 있지만, 상대성 이론을 확립한 사람만큼 상대성 이론을 깊이 이해하는 사람은 없다. 이 이론이 심오하기 때문이고, 또 이 이론 바닥에 깔려 있는 철학 사상에 대한 깊은 이해가 필요하기 때문이다. 따라서 상대성 이론을 아인슈타인이 직접 설명하는 것보다 더 잘 설명하는 길은 없을 것이다. 이 책은 상대성 이론 자체에 대한 설명이나 수학적 복잡함을 설명하는 대신 상대성 이론이 나올 수밖에 없었던 논리적 사고의 흐름을 자연스럽게 소개하고 있다. 이 책을 따라가 보면 상대성 이론이 가장 보편적인 자연법칙이라는 것에 동의할 수밖에 없다. 아인슈타인은 이론이 필요해서 상대성 이론을 만든 것이 아니라, 시간과 공간에 대한 깊은 사색과 논리적 유추에 의해 결론적으로 이 이론을 만들게 되었다.

상대성 이론의 가장 대중적인 설명
상대성 이론에 관한 책이 많이 있지만 이 책은 여전히 가장 대중적이고 유용한 설명서다. 상대성 이론이 어떤 것인지 관심은 있지만 숫자와는 별로 친하지 않은 독자들에게 상대성 이론의 과학적인 부분을 개괄적으로 설명하는 것은 물론이고, 철학적인 면까지 고찰할 수 있도록 정확하게 설명하기 위해 아인슈타인이 직접 쓴 책이다. 한 장 한 장 넘기기 전에 깊게 생각하게 만든다. 이 책은 복잡하고 어려운 상대성 이론 교과서를 공부하기 전에 반드시 읽어야 하는 책이다. 물리학도가 아니더라도 시간과 공간에 대해 깊이 생각하는 지성인이라면 꼭 갖고 있어야 하는 책이다.
이 책의 강점은 간결하다는 것이다. 물리책에는 복잡한 수식이 있고, 그 수식을 완전히 이해해야 내용을 소화했다고 생각하는 경향이 있다. 하지만 수식 자체보다는 수식이 의미하는 바를 읽어 낼 줄 알아야 개념을 이해한 것이라 할 수 있다. 이 책에는 수식이 거의 나오지 않아 오히려 생소하게 느낄 수도 있을 것이다. 하지만 본문을 천천히 생각하며 읽으면 상대성 이론을 주창한 저자가 논리적으로 어떻게 이 이론에 도달하게 되었는지 알게 될 것이고, 상대성 이론의 핵심적인 개념과 의의를 이해하게 되는 희열을 맛보게 될 것이다.

<타임>지가 선정한 ‘20세기 최고의 인물’아인슈타인이 자신의 이론을 설명하고 있다. 상대성 이론을 아인슈타인이 직접 설명하는 것보다 더 잘 설명할 방법은 없을 것이다. 이 책에서 아인슈타인은 우리가 살고 있는 세계를 이해할 수 있도록 도와주는 상대성 이론의 기본 개념과 원리를 설명하고 있다. 숫자와는 담 쌓은 독자도 이해하기 쉽도록 설명이 간단명료하다.

알베르트 아인슈타인은 1879년 3월 14일 독일 울름(Ulm)에서 유대인 아버지와 독일인 어머니 사이에서 태어났다. 숙부의 영향으로 수학과 과학에 관심을 갖게 되었고, 취리히의 연방공과대학에서 4년간 물리학과 수학에 몰두했다. 1900년 아인슈타인은 베른에 있는 스위스 특허 사무소에서 심사관으로 일을 시작했다. 1905년 아인슈타인은 독일의 유명한 월간 학술지 ≪물리학 연보≫에 ＜분자 차원의 새로운 결정＞이라는 논문을 발표했는데, 나중에 취리히 대학교에서 이 논문으로 박사 학위를 받았다. 그해 아인슈타인은 ≪물리학 연보≫에 중요한 논문 네 편을 더 발표했다. 브라운 운동 이론에 관한 ＜정지 액체 속에 떠 있는 작은 입자들의 운동에 대해＞, 빛을 파동으로서뿐 아니라 입자 성질을 갖는 광자로 가정해 광전 효과를 설명한 ＜빛의 발생과 변화에 관련된 발견에 도움이 되는 견해에 대해＞, 특수 상대성 이론을 소개한 ＜운동하는 물체의 전기역학에 대해＞, 질량과 에너지가 같다는 사실을 확립한 ＜물체의 관성은 에너지 함량에 의존하는가＞. 1916년에는 ≪물리학 연보≫에 ＜일반 상대성 이론의 기초＞를 발표한다. 이로 인해 아인슈타인은 천재적인 과학자로서 국제적인 명성을 얻게 되고, 1921년 상하이에서 “당신의 광전법칙과 이론물리학 분야에서의 업적으로 노벨 물리학상을 받게 되었다”는 국제전보를 받는다. 아인슈타인은 전자로부터 행성까지 우주 안에 있는 모든 것의 작용을 지배하는 일반 법칙을 발견하려는 노력을 중단하지 않았다. 그는 단일한 방정식이나 공식들을 물질과 에너지의 보편적 속성들과 연관시키려고 했는데 이는 나중에 통일장 이론으로 불리게 된다. 1933년 독일에서 히틀러가 집권하자 아인슈타인은 독일 시민권을 포기하고 미국으로 떠났으며, 1955년 4월 18일 프린스턴 병원에서 잠을 자다가 숨을 거두었다.

장헌영은 연세대학교 천문학과를 졸업한 후, 영국 케임브리지대학에서 태양 내부 구조에 관한 연구로 박사학위를 받았다. 귀국 후 삼성항공 항공우주연구소 선임연구원, 고등과학원 조교수로 있었고 현재 경북대학교 천문대기과학과 교수로 재직 중이다. 태양 및 우주 환경, 감마선 폭발체, 미시 중력 렌즈 현상, 블랙홀과 관련된 고에너지 천체물리학 현상 등을 연구하고 있다. 역서로는 ≪갈릴레이의 천문노트: 시데레우스 눈치우스≫, ≪망원경으로 떠나는 400년의 여행≫, ≪상대성 이론: 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론≫ 등이 있다.

서문
15번째 개정판의 노트

1부 특수 상대성 이론
1. 기하학 명제의 물리적 의미
2. 좌표계
3. 고전 역학에서의 공간과 시간
4. 갈릴레이 좌표계
5. 제한된 의미의 상대성 원리
6. 고전 역학에서 사용하는 속도의 합에 관한 정리
7. 상대성 원리와 빛의 전파의 법칙 사이에 있는 명백한 불일치성
8. 물리학에서 시간에 대한 개념
9. 동시성의 상대성
10. 거리 개념에 대한 상대성
11. 로렌츠 변환
12. 움직이고 있는 측정자와 시계의 특성
13. 속도 합에 관한 정리, 피조의 실험
14. 상대성 이론의 자기 발견적 가치
15. 상대성 이론의 일반적인 결과들
16. 경험과 특수 상대성 이론
17. 민코프스키의 4차원 공간

2부 일반 상대성 이론
18. 특수 상대성 원리와 일반 상대성 원리
19. 중력장
20. 상대성 이론의 일반적 가정을 위한 논의로서 관성 질량과 중력 질량의 등가성
21. 특수 상대성 이론과 고전 역학의 기초가 불만족스러운 이유
22. 일반 상대성 원리로부터의 몇 가지 추론
23. 회전하는 좌표계에서 측정자와 시계의 행동
24. 유클리드 연속체와 비유클리드 연속체
25. 가우스 좌표계
26. 유클리드 연속체인 특수 상대성 이론의 시공간 연속체
27. 유클리드 연속체가 아닌 일반 상대성 이론의 시공간 연속체
28. 일반 상대성 원리의 정확한 수식화
29. 일반 상대성 원리에 근거한 중력의 문제에 대한 해답

3부 우주에 관한 전체적인 고찰
30. 뉴턴 이론이 갖는 우주론적 문제
31. ‘유한’하지만 ‘경계가 없는’ 우주의 가능성
32. 일반 상대성 이론에서 본 우주의 구조

부록
1. 로렌츠 변환의 유도(11장의 보충)
2. 민코프스키의 4차원 공간(‘세계’)(17장의 보충)
3. 일반 상대성 이론을 증명한 실험
4. 우주의 구조(32장의 보충)
5. 상대성 이론과 공간의 문제

해설
지은이에 대해
옮긴이에 대해

순수한 이론적 방법으로 일반 상대성 원리가 중력장의 성질을 유도할 수 있게 한다는 것을 20장에서 설명했다. 예를 들어 갈릴레이 기준 좌표계 에 대해서 갈릴레이 영역에서 일어나는 어떤 자연 현상의 시공간 ‘경로’를 알고 있다고 가정하자. 계산에 의한 순수한 이론적 작업을 통해 기준 좌표계 에 대해서 가속되고 있는 기준 좌표계 에서 이 자연 현상이 어떻게 보일 것인가를 쉽게 알 수 있다.