E=MC2 이야기

▣ 출판사서평

어려운 수학 공식을 몰라도 그 유명한 E=mc2을 이해할 수 있다고?

헝클어진 휜 머리칼에 혀를 쑥 내민 익살스런 표정의 괴짜 과학자. 우리가 흔히 과학자 하면 자동적으로 연상되는 얼굴. 우리는 다들 그가 누구인지 알고 있다. 세상에서 가장 유명한 과학자 아인슈타인이 그 주인공이다. 과학적 상식이 전혀 없는 사람조차도 그의 상대성이론을 익히 들어보았을 것이다. 그러나 다들 귀로만 익숙한 단어일 뿐 실제로 이 이론을 제대로 이해하고 있는 사람이 얼마나 될까.
‘세상에서 가장 위대한 공식’이라 불리는 E=mc2을 사람들에게 알기 쉽게 전달하기 위해 영국의 젊은 물리학자 브라이언 콕스와 제프 퍼쇼가 나섰다. 현재 영국 맨체스터 대학교 물리학과 교수로 있는 이들은 이미 영국 BBC방송 과학 다큐멘터리에서 전 세계 시청자들에게 흥미와 감동을 전한 바 있다. 이 책에서 우리는 수학적 상식이 없어도 현대 물리학이 세상에 전하는 메시지와 아인슈타인의 상대성이론을 이해하게 될 것이다.

한 편의 과학 다큐멘터리를 보듯 재미있게 물리 이론을 배우다

이 책의 저자인 브라이언 콕스와 제프 퍼쇼는 다소 독특한 이력을 지니고 있다. 특히나 브라이언 콕스는 과학자로서는 매우 특이한 인물이다. 맨체스터 대학 물리학과를 졸업한 뒤 한동안 유명 밴드에서 키보드리스트로서 인기를 누렸으며 훤칠한 외모와 사람들을 휘어잡는 뛰어난 말솜씨로 방송은 물론 영화에 이르기까지 일반인들에게 과학세계의 신비함과 즐거움을 선사하고 있다. 또한 제프 퍼쇼는 옥스퍼드 대학을 졸업한 뒤 36세에 교수가 된 영국에서 가장 촉망받는 젊은 교수 중 한 명으로 물리학협회의 맥스웰 상을 받을 정도로 천재성을 인정받고 있는 인물이다.
이러한 두 사람의 조합은 기존 과학책과는 차별화되는 책을 탄생시켰다. 호기심을 자극하는 한 편의 과학 다큐멘터리를 보듯 물리학을 흥미진진하게 풀어나갔을 뿐만 아니라 너무 쉽게 설명하느라 자칫 가벼울 수 있는 과학 상식 책의 한계를 전문가의 필력으로 핵심적인 부분을 빠뜨림 없이 깊이 있게 다루었다. 과학책으로서는 드물게 아마존UK 베스트셀러에 올라 유럽을 열광하게 한 것도 이런 이유에서일 것이다.

과학은 불확실성을 찬양한다!

물리학 하면 우리는 복잡한 수학 공식을 떠올린다. 그런데 저자들은 수학적 상식이 없는 사람들도 물리학을 충분히 이해할 수 있다는 것을 전제로 이 책을 풀어나간다. 수학에 대한 두려움 때문에 물리학에 관심을 두지 않는 사람들을 위해 “피타고라스의 정리보다 쉬운 수학을 사용하여 설명”할 것이라고 거듭 강조하며 “피타고라스의 정리를 모른다 하더라도 걱정할 필요는 없다”라고 덧붙이기까지 한다. 과연 그 정도의 수학적 지식만으로 그 어려운 상대성원리를 이해할 수 있을까 하며 반신반의하는 사람도 있을 것이다. 하지만 이 책만큼 아인슈타인의 이론을 쉽고 흥미롭게 설명한 책은 찾아보기 힘들다.
21세기의 젊은 두 물리학자가 펼치는 유쾌한 설명과 함께 과학여행을 떠나 보면 어느덧 시간과 공간을 초월하여 아인슈타인의 지적 호기심에 동화되어 편견 없는 객관적으로 시선으로 세상을 들여다보고 있는 자신을 발견하게 될 것이다.
그리고 고대 그리스의 최고의 지성인 아리스토텔레스가 생각한 우주는 어떤 모양이었는지 지동설을 주장한 갈릴레이의 뛰어난 통찰력 절대 깨지지 않으리라 여겼던 뉴턴역학의 세계관이 어떻게 무너지게 되었는지 등 아인슈타인이 등장하기 이전 과학사에 한 획을 그은 인물들의 발자취를 살펴보는 것도 매우 흥미롭다. 또한 19세기에 활동했던 여러 과학자의 업적을 통해 어떻게 상대성이론이 탄생하게 되었는지 그 근원을 확인할 수 있게 된다. 저자들은 “과학은 불확실성을 찬양하는 지식 분야이며 이것이 과학의 성공을 이끄는 것이다”라며 과학을 이끌어가는 원천이 무엇인지 알려준다. 그리고 아인슈타인의 이론 역시 언젠가 “더 정확한 자연현상에 자신의 지위를 양보해야 할 압박을 받을 수도 있다”라며 “과학세계에서는 절대적인 사실은 없다 단지 거짓이라고 밝혀진 적 없는 세계관만이 존재할 뿐이다!”라고 강조한다.

꿈이 현실로 상상력의 위대함

“광속 우주선을 타면 80년이면 우리 은하계의 끝자락에 도착할 것이다. 내가 만약 과거로 거슬러 올라갈 수 있다면 전성기의 마릴린 먼로나 갈릴레오 갈릴레이를 만나고 싶다.” 세계적인 물리학자 스티븐 호킹의 말이다. 그는 최근 외계인이 존재할 것이라는 주장에 이어 미래로의 시간여행이 가능할 것이라고 내다봤다. 이에 이 책의 저자인 브라이언 콕스는 “분자가속기에서 입자를 광속으로 돌리면 시간 흐름이 7000분의 1 속도로 느려지는 현상이 입증되었다. 이를 타임머신에 적용하면 우주선 승무원의 일생은 지구의 250만 년에 해당되어 미래로의 시간여행이 가능하다”라며 스티븐 호킹의 말을 뒷받침했다.
이런 말을 들으면 정말로 얼마 있지 않으면 미래로의 시간여행이 가능할 것 같다는 느낌이 든다. 그 시기가 언제인지는 모르지만 이처럼 오늘날 우리가 상상 속에서만 꿈꾸던 세상에 성큼 다가가게 된 데는 ‘빛의 속도’라는 특별한 속도의 개념을 우리에게 선사한 아인슈타인의 덕분일 것이다.
“아인슈타인은 자연이 낳은 돌연변이도 아니며 그의 능력이 초인적인 것도 아니다. 그는 단지 과학자의 자세로 단순한 것을 심각하게 여기고 어떠한 결과가 나오게 되는지 논리적으로 따라갔을 뿐이다. 그의 천재성은 맥스웰의 방정식에 나타난 빛의 속도가 일정하다는 것을 단순히 기계적으로 받아들이지 않았으며 갈릴레이가 처음으로 제안한 등가성의 원리를 깊이 있게 이해한 데 있다.”
이 책을 통해 한 사람의 단순한 호기심이 어떤 위대한 결과를 낳게 되었는지 그리고 그것이 오늘날 세상을 어떻게 바꾸어왔으며 또 앞으로 어떻게 바꾸게 될 것인지를 알 수 있는 좋은 계기가 될 것이다. 그동안 아인슈타인의 상대성이론에 대한 궁금증은 있었으나 너무 심오하고 어려워 선뜻 다가가기 힘들었던 사람들은 이 책을 통해 그 갈증을 해소할 수 있을 것이다. 또한 과학 세계에 대한 지적 호기심으로 가득한 학생들이 읽으면 과학사 전반에 대한 상식을 얻는 데 많은 도움이 될 것이다.

▣ 작가 소개

저자 : 브라이언 콕스
Brian Cox
1990년대에 팝밴드 드림(D:Ream)과 락밴드 데어(Dare)에서 키보드리스트로 활동하면서 물리학 박사학위를 받는 등 독특한 이력을 지닌 젊은 물리학자. 현대 영국 맨체스터 대학교 입자물리학과 교수로 학계에서뿐만 아니라 TV 라디오 영화 신문 잡지 등 다양한 대중매체에서 활발한 활동을 벌이고 있으며 2010년에는 그 공로를 인정받아 대영제국 훈장을 받기도 했다. 매력적인 외모와 뛰어난 언변으로 과학자에 대한 일반인의 고정관념을 무너뜨리는 그는 자신이 지닌 물리학에 대한 열정과 천재성을 일반 대중의 언어로 풀어내 과학의 세계를 흥미진진하게 이해하게 해준다. 지은 책으로는 『태양계의 놀라움(Wonders of the Solar System)』『우주의 놀라움(Wonders of the Universe)』 등이 있다.

저자 : 제프 퍼쇼
Jeff Forshaw
영국 맨체스터 대학교 이론물리학 교수이다. 옥스퍼드 대학교를 졸업하고 36세의 젊은 나이에 교수가 되어 이목을 끌었다. 1999년에는 이론물리학에 기여한 공로로 물리학협회의 맥스웰 상을 받았다. BBC 방송을 비롯해 여러 매체에서 일반 청중을 대상으로 자연의 법칙 뒤에 숨은 원리를 설명하는 데 힘을 쏟고 있다. 그간 100여 편의 논문을 발표했으며 『동역학과 상대성(Dynamics & Relativity)』『양자 색깔 역학과 포메론(Quantum Chromodynamics and the Pomeron)』 등의 저서가 있다.

감수 : 유인태
서울대학교 물리학과 및 동 대학원을 졸업하고 예일 대학교에서 입자물리실험 전공으로 박사학위를 받았다. 이후 미국 페르미연구소 연구원을 거쳐 1998년부터 성균관대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 1991년부터 현재까지 페르미연구소 CDF 실험에 참여하여 b쿼크 생성과정 및 붕괴 입자-반입자 진동현상 등의 연구를 수행하고 있다. 또한 2007년 이후 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기 실험 중의 하나인 CMS실험에도 참여하여 힉스 입자와 t쿼크를 연구하고 있다.

역자 : 이민경
성균관대학교 물리학과를 졸업하고 현재 서울대학교 사범대학 물리교육과 석사과정에 있다. 석사과정 동안 국내외 학회에서 활동하며 실험결과의 오차 분석 교육에 관한 연구를 진행하고 있다.

▣ 주요 목차

서문

1장 절대공간은 없다
빛의 속도를 넘어서는 시간여행은 가능할까
아리스토텔레스의 오류
관찰할 수 있어야 과학적으로 유용하다

2장 빛은 항상 같은 속도로 움직인다
나침반은 어떻게 전류를 감지할까
물리적 대상의 행동은 수학법칙으로 예측할 수 있다
바람 한 점 없는데 왜 바람이 느껴질까

3장 특수상대성이론 새로운 세상을 열다
맥스웰 방정식 E=mc2에 영감을 주다
움직이는 물체의 시간이 더 천천히 움직인다
뮤온 특수상대성이론을 증명하다

4장 시간과 공간을 하나로 묶다
원자 구성입자들의 수학적 무도회
시공간은 넘을 수 없는 장애물인가
오컴의 면도날
시공간에서의 거리 구하기
두 사건 사이의 변하지 않는 거리

5장 왜 E=mc2일까
그림자의 실체를 발견하다
에너지는 항상 일정하다
3차원 공간에서의 운동량을 대신할 불변량을 찾아라
물체에 잠재된 에너지를 꺼낼 수 있다면

6장 질량 속에서 에너지를 꺼내다
잠재에너지를 더 많이 가질수록 무거운 물체다
화학반응으로 생성되는 에너지
최대질량의 한계치

7장 질량의 기원을 찾아서
모든 것을 통합하는 마스터 방정식
단순한 대칭성이 심오한 결과를 창출해내다
마스터 방정식에 새로운 영역이 열리다
표준모형이론 검증
질량의 기원

8장 아인슈타인 상상력의 위대함을 입증하다
중력은 시공간이 휘어져 있다는 신호
쌍펄서가 만들어내는 엄청난 에너지
가장 단순한 생각이 가장 위대한 결과를 낳다