상대성이론의 결정적 순간들 : 세계에 대한 관점을 뒤바꾼 가장 유명한 이론의 탄생과 발전

김재영

서울대학교물리학과에서물리학기초론전공으로박사학위를받았다.독일막스플랑크과학사연구소초빙교수,서울대강의교수,이화여대HK연구교수등을거쳐현재KAIST부설한국과학영재학교에서물리학의역사와철학을가르치고있다.저서로『상대성이론의결정적순간들』,공저로『교차1호:지식의사회,사회의지식』,『정보혁명』,『양자,정보,생명』,『뉴턴과아인슈타인』등이있고,공역으로노버트위너의『인간의인간적활용』,제임스클러크맥스웰의『전기자기론』,피터갤리슨의『아인슈타인의시계,푸앵카레의지도』,피터하먼의『에너지,힘,물질』등이있다.

들어가며.004

I상대성이론의실마리

1장뉴턴vs아인슈타인014
“뉴턴이여,나를용서하시길!”|뉴턴의‘기적의해’신화

2장원격작용과마당이론032
뉴턴역학의힘과물질|질량과무게

3장공간이란무엇일까?059
뉴턴과라이프니츠의공간논쟁
아인슈타인과가우스와비유클리드기하학

II기적의해와시공간

4장아인슈타인의기적의해1905년082
아인슈타인의학창시절|아인슈타인의박사학위논문

5장1908년,절대세계의가설105
민코프스키의「공간과시간」|세계선과지속성논쟁

6장운동질량과우주선사고실험.122
질량이정말속도에따라달라질까?|드원―베란―벨우주선사고실험

III일반상대성이론의탄생

7장베른에서베를린까지146
“생애에서가장운좋은생각”|아인슈타인과힐베르트의표절논쟁

8장도대체일반상대성이론이무엇일까?157
일반상대성이론의기초|상대성원리,동등성원리,중력장방정식
일반상대성이론이탄생하기까지

9장전쟁의포성속에서우주의비밀에접근하다188
슈바르츠실트의풀이|일반상대성이론과우주론

IV가장아름답고완벽한이론

10장일반상대성이론입증되다208
1919년의개기일식|우주론을바꾼역사뒤편의영웅들

11장일제강점기한반도의스타,‘아박사’또는‘아인씨’235
빛에도무게가있다!!|동아시아에온아인슈타인
“뉴톤에서아인스타인까지”

V상대성이론의해석

12장상대성이론을어떻게해석해야할까270
상대성이론의존재론|중력장방정식의해석과상대성이론의철학적측면
일반상대성이론과다양체실재론
현대물리학에서에테르는자취를감추었을까?

13장상대성이론을넘어서297
상대성이론은상대주의적인가?|베르너하이젠베르크의1937년
하이젠베르크와그레테헤르만의대화|물리학밖의일반상대성이론

14장모든것의이론?325

주334
참고문헌339
찾아보기342

뉴턴의만유인력부터기적의해를거쳐
마침내일반상대성이론이탄생하기까지

어떤이론이든,그것이탄생하기위해서는그때까지쌓여온여러지식들이바탕이되어야한다.상대성이론도예외는아니다.이책은아인슈타인이상대성이론을발표하기까지물리학계의흐름과논의를차근차근짚어주는데,그것을따라가는것만으로도상대성이론이무엇인지점차윤곽을그릴수있다.

저자는우선17세기자연철학에서가장중요한쟁점이되었던뉴턴역학의힘과물질문제,질량의개념을짚고,라이프니츠와클라크의공간에관한논쟁을살펴봄으로서상대성이론의실마리를풀어간다.

이러한과학적배경속에서‘기적의해’라불리는1905년아인슈타인은특수상대성이론을발표한다.그러나특수상대성이론은이름그대로관성계라는‘특수한’상황에서만통용되는한계가있는이론이었다.10여년의연구끝에아인슈타인은결국모든좌표계에서통용될수있는일반상대성이론을발표한다.

이과정에서저자는특수상대성이론을일반이론으로확장하는데큰역할을한민코프스키시공간,비유클리드기하학인리만기하학을아인슈타인이어떻게받아들였는지차례로소개하며,중력장방정식을완성하는데있어결정적인역할을한힐베르트와의경쟁이야기도살펴본다.특히힐베르트의경우사실상아인슈타인보다한발짝먼저중력장방정식을완성한것으로생각되는데,저자는그런이유로‘힐베르트-아인슈타인중력장방정식’이라고부르는게정당할것이라고말한다.

과학의발전에는늘숨은공로자가있다

이렇게상대성이론의전개를살펴보는과정에서가장두드러지는이책의미덕은잘알려지지않은이들이이룬성과에도주의를기울인다는점이다.앞에서언급한힐베르트같은경우는중력장방정식이아니더라도너무나유명한수학자였지만,상대성이론의발전과증명,전파과정에서이름조차제대로알려지지않은공헌자들이많다.

우주에떠있는망원경이름으로유명한허블은1929년은하들이모두우리은하로부터멀어지고있음을밝혀냈다.바로외부은하의후퇴속도는거리에비례하여커진다는허블의법칙이다.그러나사실이법칙은이미2년전벨기에의사제이자물리학자인조르주르메트르가발표한바있었다.르메트르는아인슈타인중력장방정식을통해팽창하는우주를나타내는풀이를완전하게제시했는데,프랑스어로된이논문이국제적으로잘알려지지않았던것이다.2018년에이르러서야국제천문연맹에서‘허블의법칙’이라는이름대신‘허블-르메트르의법칙’으로변경하는제안이통과되었다.

허블은또한윌슨산천문대에서의관측을통해위의발견을했는데,당시고등교육을받지못하고천문대잡역부로고용되었던밀턴허머슨은천문관측기술에뛰어난재능을보였다.620여개에달하는은하의사선방향속도를정확히관찰하여측정한허머슨의도움이없었다면허블의법칙은증명되기힘들었다.하지만승부욕이강하고오만한성격이었던허블은자신의가장중요한동료를무시하며그를제대로대우해주지않았다.

저자는과학의발전에서상대적으로소외되었던여성과학자들에게도조명을비춘다.당시대학에서천문학이나수학을공부하고도변변한직장을얻지못한많은여성들이저임금으로하버드대학교천문대에서관측과계산업무를하고있었다.그중헨리에타스완리빗이라는관측천문학자는세페이드변광성을연구하여그주기와광도사이의관계를발견했는데,이발견은허블연구의근간이되고천문학의역사에엄청난영향을미친업적이었다.그러나리빗은그뛰어난성과에도불구하고당대에는거의주목받지못했다.

사람들은스타에열광하고,극적인스토리에곧잘주목한다.그러나과학에서잘알려진발견들도사실은그렇게단순하지않은경우가많다.어떤법칙이성립하기위해서는여러이론들이경쟁하고관측을통해입증되는지난한과정이필요하다.또새로운이론이등장한다고해도그것을어떻게받아들여질지의견이분분한경우도많다.이책은인류의가장놀라운업적으로꼽히는상대성이론의태동과탄생,발전과전파과정을설명하며그과정에서우리가놓친많은부분들을되짚어준다.어디에서도쉽게보지못했던상대성이론에관한다채로운이야기들이과학적사고의폭을넓혀줄것이다.