세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 특수상대성이론

정완상

저자:정완상
과학에대한호기심으로서울대학교무기재료공학과에다녔고,물리를향한마음이더욱커져한국과학기술원(KAIST)에서이론물리학을전공하며석박사학위를받았다.30세에경상국립대학교물리학과교수가되어학생들에게물리사랑을전파하고있다.초심을잃지않기위해꾸준히연구하며현재까지국제학술지(SCI저널)에300여편의논문을게재했다.직접만나는학생뿐만아니라더많은학생들에게과학과수학의즐거움을알려주고자책을통해독자를만나고있다.<과학자가들려주는과학이야기시리즈>중《아인슈타인이들려주는상대성이론이야기》를비롯한31권과<과학공화국법정시리즈>50권을집필했다.최근에는중학교에서도통하는초등수학을카툰으로그린<개념잡는수학툰시리즈>를출간했고,노벨상오리지널논문을쉽게풀어낸<노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학시리즈>를집필중이다.우리나라의노벨과학상수상자가쏟아져나오기를바라는마음에서네이버카페<정완상교수의노벨상-오리지널논문공부하기>를운영하기시작했다.

추천사
천재과학자들의오리지널논문을이해하게되길바라며
드디어시간이움직이다!_호킹박사깜짝인터뷰

첫번째만남│아인슈타인이전의물리학
아리스토텔레스의운동론_돌이땅에떨어지는그럴듯한이유
고전역학의창시자갈릴레이_지루한설교덕분에대단한발견을!
갈릴레이,속력을정의하다_두물체의빠르기는어떻게비교할까?
고전역학을완성한뉴턴_거인의어깨위에서
미분과적분의발견_한없이가까워지고무한히잘게나누기
미분으로순간속도를정의하다_내차의속도는얼마나변했을까?
뉴턴의세가지운동법칙_지금처럼쭈욱가보자고!
갈릴레이의상대성원리_가로수가뒤로가는것처럼보이는이유
일과운동에너지_물체를움직이는힘에대하여

두번째만남│영웅아인슈타인의등장
빛의속력을측정한과학자들_너는너무나빨라!
에테르논쟁_잘은모르지만존재해야만(?)한다
마이컬슨·몰리의실험_에테르를찾아보자!
로런츠·피츠제럴드수축_잘못된신념이만들어낸억지이론
마흐의역학비판_시간이먼저냐운동이먼저냐
아인슈타인의학창시절_천재성을꽃피운환경의중요성

세번째만남│논문속으로1부
특수상대성이론논문의개요_혁명적인두가지가설
테일러,함수를급수로나타내다_함수를전개식으로나타내는마술
정지해있는막대기의길이재기_빛으로캐치볼을!
등속도v로움직이는막대기의길이재기_내가보는빛의이동거리는?
길이와시간의상대성_너와나의시간은다르다
아인슈타인의속도덧셈_빛의속도에서는이규칙을!

네번째만남│전기를연구한사람들
정전기로부터시작된전기연구_일상의불편을예사로넘기지않다
클라이스트와레이던병_전기를모아보자!
쿨롱의법칙_두전하사이의법칙에대하여
전지의발명_서로다른금속판사이에무슨일이?
전기장_전기력게임을할준비가되었다!
가우스의법칙_핵심으로가는어려운길목
전위(전기퍼텐셜)_중력과닮은전기력의성질

다섯번째만남│전기와자기의비밀
자기장_거대한자석,지구
전류의자기작용_전류가흐르면나침반이움직인다?!
앙페르의법칙_전류와전류사이에작용하는힘
패러데이의전자기유도법칙_자석이움직이면무슨일이일어날까?
맥스웰방정식_전자기에대한완벽한방정식
빛은전자기파동_광속으로움직이는파동에대하여
도플러효과_파동의진동수를다르게느끼다

여섯번째만남│논문속으로2부
빈공간에서맥스웰방정식의상대성이론_두관찰자는맥스웰방정식을어떻게묘사할까?
상대론적도플러효과_두관찰자는전자기파의위상을어떻게볼까?
질량에너지관계식E=Mc²_하이라이트공식의탄생

만남에덧붙여
OntheElectrodynamicsofMovingBodies_아인슈타인논문영문본
위대한논문과의만남을마무리하며
이책을위해참고한논문들
수식에사용하는그리스문자
노벨물리학상수상자들을소개합니다

★전국과학교사모임추천 ★시민과학시대필독서
★이공계진학예정자필독서 ★세계최초로노벨상수상자의오리지널논문을다루는책
★일대일친절한과학수업 ★오리지널논문영문본수록

모두가알지만,누구도모르는상대성이론
일상에서만나는아인슈타인의특수상대성이론특강!

<사례1>당신은지금스마트폰에새로운앱을설치했다.앱사용을시작하려하자이런팝업이뜬다.‘ㅇㅇㅇ에서현재위치정보를사용하고자합니다.동의하시겠습니까?’
<사례2>주말을맞이하여가족들과함께근교로나들이를가기로했다.운전석에탄당신은제일먼저차에장착된,혹은스마트폰에설치된내비게이션을실행한다.목적지를입력하면추천경로,소요시간등을안내하고현재어느길이뻥뻥뚫리거나막히는지도표시된다.

20년전만해도상상할수없었던일들이지금은너무나자연스러운일상이되었다.세계어느곳에있든자신의위치를정확하게알수있게된것은인공위성을이용한GPS덕분이다.어떻게이런일이가능해진걸까?그바탕을이루는핵심이론이바로아인슈타인의특수상대성이론이다.과학에문외한인사람도아인슈타인,상대성이론혹은E=Mc²이라는공식은한번쯤들어봤을것이다.과학교육과정에서도그바탕이되는내용을필수로다루고있으니,특히나과학도를꿈꾸는학생들이라면‘아인슈타인’혹은‘상대성이론’을다룬교양서적몇페이지쯤은넘겨봤을법하다.
그런데이유명한이론을온전히이해하는사람이몇이나될까?물론대학에서자연계열학과에진학해전공과목에서학습하는경우를제외하고.누구나들어봤을정도로유명하며,우리생활과도밀접한곳에쓰이지만정작그내용이무엇인지는명쾌하게이해하기쉽지않다.
아인슈타인은1905년에특수상대성이론논문을,그리고1915년에일반상대성이론논문을발표했다.이책은아인슈타인이처음이빛과속도,시간과공간의비밀을밝힌이론을세상에발표했던당시학계에큰충격을주었던바로그오리지널논문에초점을맞추었다.아인슈타인의연구방법대로논문의큰줄기를따라가며그가세상사람들에게알려주고자했던것이무엇인지탐구하고자한다.

시민과학시대필독서
펜데믹,기후위기의위협에서과학지식은선택아닌필수

무한한정보가각종소셜미디어를통해개인이감당할수없을정도로쏟아지는시대다.그와중에마치과학적으로검증된사실인것처럼포장된가짜정보들도많아지고있다.코로나팬데믹을지나오며그러한가짜정보가생각지못한곳에서집단감염을일으키게만드는등사람들을얼마나위험에빠뜨리는지우리는숱하게보아왔다.
‘기후위기’는더이상환경론자만의주장에서그치지않는다.전세계가대형산불이나기습폭우에의한피해로고통받고있다.사계절이뚜렷했던우리나라는봄가을이사라져가고,각지역의작물재배지도가빠르게바뀌는중이다.후대를생각할겨를없이당장눈앞에닥친기후위기.그때문에환경에관심을갖고정책결정에목소리를내는시민이점차늘고있다.
평생교육사회에발맞춰지자체별로성인대상교양교육을제공하는시민대학을운영하는곳이늘어났다.여기에는각종인문,실용학문뿐아니라과학강좌도종종눈에띈다.과학지식을아는것은이제학교시험을보고진학을하는데서끝나지않는다.학교를졸업한일반시민에게계속적인교육이필요한이유는모두가이사회를이끌어가는구성원이기때문이다.정치권에서정책을입안하고결정할때,그들은시민들의의사를신경쓸수밖에없다.시민의눈높이가곧그사회의수준이된다.
감염병대응,4대강사업,탈원전등최근몇년간펼쳐진주요정책들은모두과학적인검토가요구되는사안들이다.AI가일상이된이시대는과학과관련한정책이더늘어날것이다.사회의일원으로과학지식을가지고정책에올바른목소리를낼수있는시민이많아지길바란다.이책이그발걸음에조금이나마발판이되기를기대한다.

아인슈타인오리지널논문한번읽어볼래?
일대일수업으로쉽게풀어낸아인슈타인의특수상대성이론

여기서잠깐!의문이든다.그냥한글로쉽게쓰여있는책한권읽는데도큰맘을먹어야하는나인데.무려‘논문’을읽는다고?그게가능하겠냐는말이다.
여기서이책의저자인정완상교수의내공이온전히드러난다.저자는대학에서학생들을가르치는물리학교수이면서초중고생을위한과학,수학교양서를수십년간집필한‘과학이론을쉽게풀어주는베테랑’이다.이책에서는물리학도를꿈꾸는물리군에게일대일대화를통하여친절히설명하는정교수와의수업이여섯번의만남으로이어진다.
더불어중요한줄기가하나더있는데바로과학의역사다.이책의주제는‘특수상대성이론논문의해설’이지만아인슈타인이논문을완성하기까지바탕이된과학이론들과그역사적배경을함께이야기한다.언급된과학이론들은모두학교교육과정에서기본과핵심으로다루는내용들이므로,책을읽으며그배경을자연스럽게이해하고학습에흥미를돋울수있을것이다.

수식과의정면승부
인류역사상가장아름답고혁명적인과학논문에도전하다!

이책의또다른특징은논문에사용된‘수식’을그대로가져왔다는것이다.시중의교양과학서적들은수식을배제한채역사적배경이나설명만나열한경우가많다.숫자나수학기호만보아도머리가아파책을덮어버릴독자를미리배려(?)한탓이리라.그러나이책은그수식에정면승부를걸었다.아인슈타인의논문에는당연히수식이계속해서등장한다.이식들을배제하고논문을읽는것은수박겉핥기일뿐이다.저자의친절한설명과함께아인슈타인이논문에썼던방식대로아름다운공식인E=Mc²에도달하는과정을차근차근따라가보자.
수학은과학의언어라는말이있다.과학을이해하기위해서는과학의언어인수학을알아야한다.수학이바탕이되어야과학내용을온전히내것으로만들수있다.
너무욕심내지는말자.한번에이내용을다이해하지못해도좋다.무려천재아인슈타인이쓴논문인데어떻게단숨에이해할수있겠나.재미있는과학사이야기로술술따라와도괜찮다.아인슈타인이위대한이론을탄생시킨그바탕만어렴풋이이해해보는건어떨까?수식은눈으로술술읽어가도좋다.내용이이해될때다시반복해서읽어보면성취감이더크게다가올것이다.책뒤편에는오리지널논문의영문본도실려있다.저자와의만남에서접한수식이눈에들어오는뿌듯함도맛볼수있으리라기대한다.
과학에미래를건학생들이여,과학을사랑하며세상을바꿔가는시민들이여.인류역사상가장아름답고혁명적인생각이담긴논문에도전하자.“나아인슈타인논문읽어봤어!”라고외쳐보자.왠지어깨가벌써부터으쓱으쓱해지지않는가?

이과생을위한과학탐구대비는당연히기본!
문과생에게도필수인국어비문학과학지문철저대비

최근의수능시험(모의평가,학력평가를비롯한)은문제의지문이점점길어지는추세에있다.과학탐구영역의문제도간단히개념을묻거나계산결과를도출하는것에서그치지않고실험과정을상세히나열하거나과학사적배경을설명하기도한다.
수능국어영역의비문학에서도과학분야의지문이종종등장한다.그런데비문학지문을읽다가시간배분을제대로못하고낭패를보는경우가많다.왜그럴까?바로배경지식때문이다.방대한양의지문을빠르게읽는데가장도움이되는것은그내용이익숙한지의여부에달려있다.
이책에서는논문해설의중심줄기를바탕으로그바탕이된이론들의과학사를함께다룬다.이론을발견한과학자의생애,새로운발견에대한에피소드를함께읽으며자연스럽게관련지식을습득할수있다.
뉴턴이말했던“내가멀리볼수있었던것은거인의어깨위에있었기때문이다.”를기억하자.아인슈타인이남긴논문은그의엄청난노력의결과물이다.논문을읽으며아인슈타인이씨름했던문제들과마주하면서그의연구과정은어떠했을지도느껴보자.이책을디딤돌삼아더멀리앞으로나아갈당신을응원한다.

■추천사

저자는이번에아주새로운시도를하고있고이는어쩌면우리에게꼭필요했던것일수있습니다.대화체로과학의역사와배경을매우재미있게설명하고,그배경뒤에나왔던과학의영웅들의오리지널논문들을풀어간것입니다.과학사를들려주는책들은많이있으나이처럼일반인과과학도의입장에서질문하고이해하는생각의흐름을따라설명한책은없습니다.게다가이런준비를마친후에아인슈타인등의영웅들의논문을원래의방식과표기를통해설명하는부분은오랫동안과학을연구해온과학자에게도도움을줍니다.
이책을읽는독자들은복받은분들일것이분명합니다.제가과학을처음공부할때이런책이있었다면얼마나좋았을까하는생각이듭니다.정완상교수는이제새로운형태의시리즈를시작하고있습니다.독보적인필력과독자에게다가가는그의친밀성이이시리즈를통해재미있고유익한과학으로전해지길바랍니다.그리하여과학을멀리하는21세기의한국인들에게과학에대한붐이일기를기대합니다.22세기를준비해야하는우리에게는이런붐이꼭있어야하기때문입니다.
-남순건(경희대학교이과대학물리학과교수및전부총장)

저는일반계고등학교물리교사입니다.물리과목을선택한학생들과함께현대물리학에대한심화학습활동으로1901년수상자인뢴트겐으로부터현재여러과학자들에이르기까지그분들의업적과학문에대한기여,노벨상수상소감등을찾아본경험이있습니다.더나아가노벨물리학상을수상한과학자가수행했던실험중학생들과직접할수있는실험들을찾아해보기도했습니다.한차시실험수업을준비하기위해많은시간을할애하여수업자료를만들었던기억이납니다.그러던중에성림원북스에서발간하는<노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학시리즈>를접하게되었습니다.
《세상에서가장쉬운과학수업특수상대성이론》이책한권으로특수상대성이론이나오기까지의방대한물리학지식형성과정을상세히접할수있었습니다.특히고등학교에서역학과전자기학및파동에대한지식을접하고현대물리에관심이높은학생들,학생들에게현대물리를의미있게가르치고싶은물리선생님,대학교에서물리를공부하는대학생들과현대물리에관심이있는데수학을몰라서주저했던일반인들에게이책을추천하고싶습니다.
책에쓰여있는수식을이해하기어렵다는이유로외면하다보면과학지식의언어인수식을잃어버리게됩니다.저자는특수상대성이론을접하기전에과감히역학부터맥스웰방정식까지의수식을접할수있도록책에기술하였습니다.이러한시도를볼때물리교사로서너무나통쾌함을느낍니다.저자가전개하는아인슈타인이전여러과학자들의이야기와수식에대한해설을보면서아인슈타인의논문에대한이해를경험해보시기를바랍니다.여러분도이책이인도하는깨달음의기쁨을느끼시길기대합니다.
-전국과학교사모임