물리의 정석 : 일반 상대성 이론 편 (양장)

레너드서스킨드,앙드레카반

저자:레너드서스킨드
뉴욕시티칼리지(CCNY)공학부를졸업하고코넬대학교에서물리학박사학위를받았다.1973년부터스탠퍼드대학교이론물리학교수로재직하고있다.
양자광학,기본입자물리학,우주론등이론물리학의모든분야에공헌했다.스티븐호킹에대항해블랙홀에빨려들어간정보는사라지지않는다고주장했다.쿼크속박이론,중입자생성,블랙홀상보성원리,홀로그래피원리등현대물리학계를뒤흔든여러개념을발견해내기도냈다.
미국국립과학원(NAS)과미국학술원(AAAS)회원이며,세계최고의이론물리학연구기관중하나인캐나다페리미터이론물리학연구소의객원교수이다.우리나라고등과학원(KIAS)의석좌교수로강연하기도했다.저서로는『우주의풍경』,『블랙홀전쟁』,『물리의정석:고전역학편』,『물리의정석:양자역학편』,『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』등이있다.

저자:앙드레카반
스탠퍼드대학교에서통계학으로박사학위를받았다.MIT에서수학을강의했으며,이후경영컨설턴트와기업가로살았다.「물리의정석」시리즈의프랑스어판번역자이기도하다.

역자:이종필
서울대학교물리학과를졸업하고같은대학교대학원에서입자물리학으로석사,박사학위를받았다.한국과학기술원(KAIST)부설고등과학원(KIAS),연세대학교,서울과학기술대학교에서연구원으로,고려대학교에서연구교수로재직했다.현재건국대학교상허교양대학교수로재직중이다.저서로는『물리학클래식』,『대통령을위한과학에세이』,『신의입자를찾아서』,『빛의전쟁』,『우리의태도가과학적일때』,『물리학,쿼크에서우주까지』등이있고,번역서로『물리의정석:고전역학편』,『물리의정석:양자역학편』,『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』,『최종이론의꿈』,『블랙홀전쟁』등이있다.

서문1레너드서스킨드7
서문2앙드레카반10

1강등가원리와텐서해석15
2강텐서수학97
3강평평함과곡률145
4강측지선과중력201
5강중력장의계측269
6강블랙홀319
7강블랙홀속으로의낙하377
8강블랙홀의형성423
9강아인슈타인장방정식471
10강중력파527

옮긴이의글지식속에서아름다움을발견하는희열583
찾아보기587

일반상대성이론탄생110주년!
끈이론창시자의명쾌한해설

서스킨드는어떤현상의물리적인본질과핵심을정확하게간파해서집요하게파고드는능력이탁월하다.독자들은서스킨드의안내에머리를내맡기기만하면환상적인지적롤러코스터를타는기분을느낄수있을것이다.
-이종필(옮긴이,건국대학교교수)

우주의실제구조를더깊이알고싶은이를위한
3000만뷰유튜브명강!

일반상대성이론은쉽지않다.어렵다.수학에도웬만큼은익숙해져야한다.그래서훌륭한스승과안내자가있으면좋다.이책의저자인레너드서스킨드는그안내자로서최상의선택지이다.현존하는최고의물리학자중한명이기도하거니와일반상대성이론과관련된중요한논쟁,예를들면블랙홀에서의정보손실과같은수십년에걸친논쟁에서도중심에있었던인물이기때문이다.
―본문에서

시간과공간이떼려야뗄수없이엮여있음을인류에게인식시켜준알베르트아인슈타인의특수상대성이론.10년의탐구끝에그는가속도와일정한중력이같다는아주간단한원리에서시작해이이론을무거운물체가포함된시공간으로일반화하는데성공한다.바로1915년11월25일발표되어곧발표110주년을앞둔일반상대성이론(GeneralTheoryofRelativity)이다.중력의본질을창조주의권능이나신비로운원격작용력이아닌시공간의기하로대체한일반상대성이론은,한세기가넘는시간이흐르며양자역학과함께현대물리학을떠받치는기둥으로자리잡고있다.
2024년7월㈜사이언스북스신간인『물리의정석:일반상대성이론편(GeneralRelativity:TheTheoreticalMinimum)』은인류지성사에서기념비적업적으로손꼽히지만직접도전해볼엄두는나지않았던이이론을,끈이론의창시자이자스티븐호킹과어깨를나란히하는물리학계의거장인레너드서스킨드(LeonardSusskind)가대가의시점에서통합하고관통해서설명한책이다.
레너드서스킨드는1973년부터지금까지스탠퍼드대학교이론물리학교수로재직하며양자광학,기본입자물리학,응집물질물리학,중력이론을비롯한다양한분야에공헌해왔고,2007년부터「최소한의이론(TheoreticalMinimum)」이란이름으로누구나볼수있는유튜브강연을진행해왔다.현대물리학과우주론을공부하고싶어도묻고배울선생님이없고,대중교양서로는지적호기심을다풀수없는일반인을위해개설된이강연은6개의핵심과정(고전역학,양자역학,특수상대성이론과고전장론,일반상대성이론,우주론,통계역학)에9개의추가과정을더한총138개의동영상으로이루어져있으며2024년6월기준누적조회수3000만을돌파했다.
이연속강의에서핵심과정을모아책으로엮은것이「물리의정석」시리즈이다.2017년『물리의정석:고전역학편』을필두로한국에소개된이시리즈는“스탠퍼드천재들이선택한진짜물리학특강”이라는과학·수학마니아들의입소문속에일찍이누계4만부를돌파한바있다.『물리의정석:일반상대성이론편』은2022년출간된『물리의정석:특수상대성이론과고전장론편』을잇는최신작으로,스탠퍼드대학교에서통계학으로박사학위를받은MIT수학과강사이자「물리의정석」시리즈프랑스어판번역자인앙드레카반(AndreCabannes)이새로이공저자로참여했다.《월스트리트저널》‘최고의책’으로선정되기도한전작의방식과논리를그대로유지하면서일반상대성이론을다룬이책은우주의실제구조에대한더깊은지식을원하는모든사람에게그야말로정석(定石)과도같은작품이다.

아인슈타인방정식을
직접유도할수있게해줄단하나의책!

아인슈타인은상대성원리를가속도가있는틀로확장하고새로운방식으로중력을고려한이론을구축하기위해10년간노력한끝에1915년11월에자신의연구를발표했다.많은사람의노력으로완성된특수상대성이론과달리일반상대성이론은본질적으로한사람의작품이다.
우리는아인슈타인이시작한바로그곳에서일반상대성이론공부를시작할것이다.아인슈타인의사고패턴은거의어린아이도이해할수있는정말로단순한기초적인사실에서시작해믿기힘들정도로광범위한결과를추론하는것이었다.가장단순한것부터시작해결과를추론하는것이교육에서도또한최선의방법이라생각한다.
―본문에서

『물리의정석:일반상대성이론편』에서두저자는총열번의강의를통해질량을가진물체가빛을,그리고시공간을휘게하는기묘한세계로독자를안내한다.
1강「등가원리와텐서해석」에서는기초를다진다.먼저일반상대성이론의시작점이자핵심이라고할수있는,중력은어떤의미에서가속도와같은것이라고하는등가원리(equivalenceprinciple)를설명하며이원리가어떻게무거운물체가필연적으로광선을휘게하는결과를낳는지보여준다.2강「텐서수학」은텐서수학에할애된다.수시로기준계를바꿔야하는일반상대성이론에서한기준계의좌표를다른기준계의좌표와연결하는방법이바로텐서방정식이기때문이다.텐서방정식은하나의기준계에서성립하면다른모든기준계에서도성립한다는놀라운성질을갖기때문에,일반상대성이론의많은부분이텐서방정식으로표현된다.
3강「평평함과곡률」,4강「측지선과중력」,5강「중력장의계측」은일반상대성이론강의의본격적인시작으로,두점사이거리의제곱이항상양수인리만기하,그리고시공간에서두사건사이거리의제곱이양수나0,또는음수일수도있는민코프스키기하에대해다룬다.간단히말해서중력은민코프스키시공간에서의기하학이라고할수있기때문이다.
6,7,8강의주인공은「블랙홀」,「블랙홀속으로의낙하」,「블랙홀의형성」이라는장제목에서도알수있듯,영화「이벤트호라이즌」이나「인터스텔라」를통해우리에게다소간친숙하면서도여전히두려운존재인블랙홀이다.두저자가블랙홀에집중하는이유는블랙홀이흥미로운천문현상그자체라서라기보다는,그것이민코프스키시공간에서뉴턴역학의점질량과동등한매우특이한사례이기때문이다.그러나블랙홀근처의시공간은점질량근처의뉴턴공간보다더이상한행동을보인다.블랙홀,블랙홀이만들어내는계측,블랙홀의사건지평선,지평선부근의시간과중력,블랙홀안팎의사람들이소통하는방식등을잘이해하는것이일반상대성이론을이해하기위한전제조건이다.
4권의하이라이트인9강「아인슈타인장방정식」에서드디어우리는지금까지배운내용을종합해일반상대성이론을기술하는아인슈타인장방정식을직접도출하게된다.마지막10강「중력파」에서는우주를바라보는인간의새로운창문이자시공간의떨림인중력파를예측하는간단한응용사례를배운다.
이모든과정에서독자는책곳곳에배치된‘연습문제’를통해손수과제를풀며스스로이해할기회를얻을수있다.그냥눈으로보고이해하는것과백지에자신의지식과상상력만가지고직접문제를푸는것은천지차이다.머리가아니라손이익숙해질때까지문제를풀다보면물리적인상황을더잘이해하고,직접손을움직여계산하는감각을기를수있다.혹시이와중에길을잃었다고해도,번역자이종필교수가직접감수하고책속연습문제와강의중‘독자의몫’으로남겨둔문제들의풀이까지모두담은소책자『물리의정석솔루션:일반상대성이론편』이독자를도울것이다.『물리의정석솔루션:일반상대성이론편』은2,000부한정인쇄되어4권구매자에게제공되며,이후에는전작의솔루션과함께사이언스북스홈페이지에서PDF파일로내려받을수있다.
이번4권에서전작들과비교되는큰차이점중하나는바로7,9,10강에실려있는「질의응답」코너이다.실제「최소한의이론」강의에서청중에게받은질문과답변을그대로실은이코너는강의내용보다는덜체계적이지만,‘연습문제’와는또다른방법으로일반상대성이론을공부하는사람이실제로느낄수있는의문과궁금함을시원하게풀어주는역할을한다.

지식속에서
아름다움을발견하는희열

일반상대성이론의방정식을푸는것은항상불쾌한일이다.여기서는그렇게하지않을것이다.간단한것들을계산하는것조차지면을가득채우게될것이다.그리고그건아마도끔찍하리만치유용하지도않다.이과목을배우려면여러분은정말로자리에앉아여러분스스로계산하고방정식을풀어야한다.반면,그원리들은간단하다.우리가방정식을풀었을때무엇을얻는지충분히쉽게설명할수있다.우리는이야기할것이다.방정식을적어놓고그러고는그풀이를쓰는방식으로말이다.
―본문에서

특수상대성이론의원리를가속운동을하는일반적인경우로확장해중력의본질을시공간의기하로이해하는일반상대성이론은그필연성과완결성측면에서많은물리학자가꼽는가장아름다운이론이며,이론의핵심인아인슈타인장방정식또한많은물리학방정식중에서도가장아름다운방정식으로꼽힌다.문제는안타깝게도물리학을전공하지않은일반인은숫자와방정식의벽앞에서좌절해이아름다움을맛보기어렵다는점이다.
이를해결하기위해서스킨드와카반은자칫오독될수있는비유,통속적설명같은꼼수대신아인슈타인장방정식을유도하는과정을그대로,그것도방정식의풀이로지면을낭비하는일없이거장의솜씨로핵심만뽑아내직접그아름다움을오롯이느낄수있는‘정석’의길로독자를이끈다.
이래도자신이일반상대성이론을즐길수있을지아직확신이서지않는다면,7년째「물리의정석」한국어판의번역을전담하고있는이종필건국대학교상허교양대학교수의존재가또다른‘보증수표’가될것이다.바로그가서스킨드의교양과학서인『블랙홀전쟁』을번역한이론물리학자이면서책으로까지출간된일반인대상의2009년‘아인슈타인장방정식풀기’프로젝트외에도2015년EBS‘상대성이론의이해’스타강사특강등의다양한방식으로상대성이론을알려온,한국상대성이론대중화의권위자이기때문이다.
이처럼시간과공간을초월해현대물리학의경이로움과기쁨을알려주려는많은사람의노력이모여,환상적인지적롤러코스터를타며지식속에서아름다움을발견하는희열을만끽할기회가이제한국독자에게찾아왔다.『물리의정석:일반상대성이론편』이후에도우주의기원과발전을연구하는우주론(5권),개별원자의미시적특성을일상에서관찰되는물질의거시적특성과연결짓는통계역학(6권)까지계속될「물리의정석」시리즈와함께할준비가되었는가?필요한것은서스킨드의안내에기꺼이머리를내맡길약간의용기뿐이다.