알베르트 아인슈타인 상대성 이론

▣ 출판사서평

《상대성이론》은 알베르트 아인슈타인이라는 천재가 물리학에 혁명을 일으킨 특수상대성이론, 일반상대성이론을 설명한 빛과 에너지, 질량, 공간, 시간, 중력에 대한 책이다.

《상대성이론》은 알베르트 아인슈타인이라는 천재가 물리학에 혁명을 일으킨 특수상대성이론, 일반상대성이론을 초등수학만으로도 충분히 이해할 수 있도록 설명해놓은 책이다. 상대성이론의 방정식과 그 방정식들의 중요한 해 그리고 시간과 공간의 곡률을 나타내는 일반상대성이론인 ‘아인슈타인의 중력방정식’도 쉽게 풀어 설명한 만큼 중력이론을 좀 더 쉽게 이해할 수 있게 될 것이다.
사고실험은 아인슈타인이 즐겨 사용한 것으로, 이를 통해 상대성이론을 물리적·기하학적·직감적으로 이해할 수 있다. 그래서 특수상대성이론은 물론 일반상대성이론에 대해서도 자세히 소개했으며 수많은 사고실험을 제공함으로써 물리학자들이 어떻게 모델을 만들고 답을 찾아내는지를 설명했다.
상당히 복잡한 사고를 소개하고 있어 어디까지나 상상력을 필요로 하지만, 상대성이론을 이해하기 위한 고도의 수학 지식이 필요하지는 않다. 물리학의 좋은 점은 자연현상을 ‘계산할 수 있다’는 데 있다.
제1장부터 제4장까지는 ‘특수상대성이론’을 설명해 빛과 물질, 공간, 시간의 관계를 명확히 이해하도록 했다.

제1장 : 기초적인 이야기부터 시작해 물질과 에너지가 동일하다는 것까지 설명한다.
제2장 : 왜 시간과 길이가 상대적인지를 설명한다.
제3장 : 일상에서 흔히 볼 수 있는 전선이 상대성을 확인할 수 있는 실제 사례라는 것을 설명한다.
제4장 : 회전목마를 탈 때 학교에서 배운 기하학이 무용지물이 되는 이유를 설명한다.

제5장부터 제9장까지는 ‘중력’, 즉 일반상대성이론을 설명했다.

제5장 : 지구의 ‘중력’이 우리를 끌어당기는 것이 아니라 시공간의 곡률에 의한 것임을 설명한다.
제6장 : 시공간의 곡률이 발생시키는 효과에 대해 자세히 설명한다.
제7장 : 널리 알려진 ‘아인슈타인의 중력방정식’의 의미와 그것이 왜 ‘가장 간단한’ 중력이론인지를 설명한다.
제8장 : 아인슈타인의 중력방정식을 쉽게 푸는 방법을 설명한다.
제9장 : 해를 이용하여 일반상대성이론이 제기한 예측들을 소개한다. 예를 들면, 태양 부근을 지나는 빛은 어느 정도 휘는가, 블랙홀의 크기와 무게는 얼마나 되는가, 행성의 궤도는 왜 휘는가 그리고 우주에는 ‘빅뱅’이 있고 우주의 미래는 불분명하다는 것에 대해 설명한다.
또한 물리학에서는 천문학적인 숫자와 여러 가지 ‘단위’를 사용하기 때문에 필요한 단위와 용어, 개념, 중요한 수치들을 11장에 소개해 보다 쉽게 이해할 수 있도록 돕고 있다.

▣ 작가 소개

저 : 쿠르트 피셔
이학박사이며 1965년 출생했다. 독일 출신으로 아헨 공과대학을 졸업하고, ETH 취리히 공과대학 석사과정을 수료했다. 복합 시스템 막스플랑크 연구소, 도쿄 대학 대학원 공학계 연구실, 미쓰비시 종합연구소 첨단과학연구소 등에서 연구원으로 일했다. 현재 도쿠야마 공업고등전문학교 기계ㆍ전기공학 조교수로 물리와 수학을 가르치고 있다.

역 : 박재현
상명대 일어일문학과를 졸업하고 일본으로 건너가 일본외국어전문학교 일한 통번역학과를 졸업했다. 이후 일본도서 저작권 에이전트로 일했으며, 현재는 출판기획 및 전문 번역가로 활동 중이다. 옮긴 책으로는 『머리 청소 마음 청소』 『입으로 숨 쉬지 마라』 『의시와 약에 속지 않는 법』 『혈관이 살아야 내 몸이 산다』 『원미닛, 고관절 교정 다이어트』 『증상별 4주 걷기 프로그램』 『장, 따뜻해야 몸이 산다』 등이 있다.

감수 : 곽영직
郭泳稙
서울대 물리학과와 미국 켄터키 대학원을 졸업했다. 1985년부터 수원대학교 물리학과 교수로 재직 중이며, 2006년부터 2011년까지 자연대학장, 2012년부터 2015년까지 대학원장을 역임했다.

저서로 『자연과학의 올바른 이해』 『자연과학의 역사』 『과학 이야기』 『원자보다 작은 세계 이야기』 『큰 인간 작은 우주』 『별자리 여행』 『별자리 따라 봄, 여름, 가을, 겨울』『곽영직의 과학캠프』 『물리학이 즐겁다』 등이 있고, 옮긴 책으로 『빅뱅』『오리진』『거울 속의 물리학』 『그레이트 비욘드』 『즐거운 물리학』, 『슝 달리는 전자 흐르는 전기』『천재들의 과학노트 3 물리학』『우주의 시작과 끝』『과학 All That Contents』『물리 All That Contents』『손안의 지구과학』 ,『더더더 작게 쪼개면 원자』등이 있다. 감수를 맡은 책으로는 『우주로 날아간 돼지』『물속에 빠진 돼지』가 있다. 감수한 책으로는 『과학 추리만화 어린이 과학 형사대 CSI ⑥』등이 있다.

▣ 주요 목차

들어가는 글: 친애하는 독자 여러분 4
이 책에서 사용한 단위와 기호의 표기에 대하여 6
이 책에 나오는 ‘충분’이라는 표기에 대하여 7

제1장 빛, 물질과 에너지
1.1 광선 14
1.2 상대성이론의 제1법칙 등속직선운동에 절대적인 의미는 없다 15
1.3 빛의 속도 측정 17
1.4 상대성이론의 제2법칙 빛의 속도는 불변의 우주상수 20
1.5 빛보다 빠르다? 21
1.6 이론 vs 실제 23
1.7 질량과 관성 24
1.8 관성과 무게 25
1.9 에너지 26
1.10 질량과 운동에너지 28
1.11 정지질량과 운동에너지 29
1) 내부운동의 운동에너지 29
2) 순수한 에너지 30
1.12 순수한 에너지의 질량 31
1.13 질량과 에너지의 등가 35
1.14 정보에는 에너지가 필요하다 36

제2장 빛, 시간, 질량과 길이
2.1 빛과 시간 38
2.2 감마값 41
2.3 누구의 시계가 느린가? 45
2.4 빛, 시간 그리고 길이 46
1) 속도가 향하는 방향의 길이 46
2) 속도가 향하는 방향과 그것에 대하여 수직인 방향의 길이 48
2.5 ‘같은 시각’이란? 49
2.6 시간과 물질 52
2.7 속도의 가법 55

제3장 빛, 전자와 전기
3.1 전하와 속도 60
3.2 전하와 자석 62
3.3 전기장과 자기장 64
3.4 전류에 발생하는 자기장 66
1) 패러데이 역설 68
2) 상대성이론이 해당하지 않으면 인력은 없다 69
3) 상대성이론이 해당하면 인력이 있다 70
제4장 가속과 관성질량
4.0 가속의 도입 74
4.1 회전운동: 쌍둥이 역설 1 75
4.2 회전운동: 유클리드 기하학은 아니다 77
4.3 직선운동 80
4.4 고유시간과 관성: 쌍둥이 역설 2 83

제5장 관성과 중력
5.0 관성과 무게의 관계 88
5.1 중력은 힘이 아니다 91
5.2 중력이 시공간을 굴절시킨다 95
1) 곡면 96
2) 휘어진 시공간 98
5.3 시공간의 곡률 계산 101

제6장 등가원리
6.1 중력과 시간 108
6.2 휘어진 시공간 속의 고유시간: 쌍둥이 역설 3 111
6.3 휘어진 시공간에서의 직선운동 114
6.4 구의 중력의 영향을 받는 길이 115
6.5 구 주위의 중력 119
6.6 중력을 받는 질량 121
6.7 중력을 받는 빛 122
6.8 블랙홀의 간략한 소개 125
6.9 등가원리의 정리 127

제7장 질량의 중력 발생 방법
7.1 고립되어 있는 구름의 중력 130
7.2 아인슈타인의 중력방정식 133
7.3 압력의 도입 134
7.4 속도의 도입 137
7.5 외부 질량의 도입 139
7.6 국소적인 시공간과 전체적인 시공간 140
7.7 아인슈타인의 중력방정식 풀이법 142

제8장 아인슈타인의 중력방정식을 푼다
8.1 운동법칙을 일으키는 중력 148
8.2 구 안의 중력 150
8.3 구형 공동의 평평한 시공간 154
8.4 구 밖의 중력 156
8.5 슈바르츠실트 엄밀해 159
8.6 뉴턴의 중력법칙 163

제9장 일반상대성이론의 활용
9.1 블랙홀 168
9.2 빛의 굴절: 약한 중력 1 171
9.3 케플러의 법칙 180
9.4 행성의 궤도가 구부러진다: 약한 중력 2 186
9.5 블랙홀 부근의 강한 중력 192
9.6 중력파 196
9.7 중력에너지는 어디에 있을까? 199
9.8 우주의 빅뱅 202
1) 우주의 작은 구형 영역의 질량 204
2) 우주 규모의 구형 영역의 질량 207
9.9 진공에너지와 압력 212

제10장 결론
10. 후기 220

제11장 부록
11.1 중요한 수치 224
11.2 순수한 에너지 정리 225
11.3 작은 속도의 상대성 229
11.4 증가하는 질량의 속도가법 정리 231
11.5 아인슈타인 중력방정식의 텐서 234

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