나의 시간은 너의 시간과 같지 않다 : 김찬주 교수의 고독한 물리학_특수 상대성 이론

나의 시간은 너의 시간과 같지 않다 : 김찬주 교수의 고독한 물리학_특수 상대성 이론

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Description
상상하고 생각하고 음미하며 느리게 읽는 과학, ‘김찬주 교수의 고독한 물리학’ 첫 권의 주제는 특수상대성이론이다. 아인슈타인의 특수상대론은 난해하다고 알려져 있지만, 실은 과학을 잘 모르는 사람도 대학교 전공수업에서 배우는 것과 똑같은 수준으로 배우고 생각할 수 있는 몇 안 되는 이론이다. 단지, 그동안 믿어 온 익숙한 시간과 공간의 개념을 뒤집기 때문에 어렵게 느껴질 뿐이다.
강의 잘하기로 정평 난 김찬주 교수는 현대 과학의 핵심에 자리한 특수상대론을 아무런 사전 지식 없이도 이해할 수 있도록 쉽게, 동시에 어떤 논리적 비약도 없이 충실히 설명한다. 1+2=3처럼 단순하고 익숙한 일상의 경험에서 출발해서 빛시계와 질주하는 기차와 상대론적 오징어 게임이 등장하는 다채로운 사고실험 속으로 우리를 데려간다. “왜 빛의 속도만 그렇게 특별한가”, “지붕 없는 무빙워크를 탔을 때와 버스를 탔을 때 실험 결과는 같을까 다를까”, “움직인다는 건 대체 뭘까?” 머릿속에 맴도는 막연한 의구심과 근본적인 물음까지 잡아채서 따져보고 설명하니 납득이 간다. ‘물알못’, ‘수알못’이라도 차근차근 따라가면 역사적인 방정식 E=mc²을 직접 유도하고, 식에 담긴 의미를 읽어내는 벅찬 감격을 맛볼 수 있다. 공간축과 시간축으로 이루어진 시공간 좌표계 위에 나와 너의 세계선을 그리며 서로의 과거와 미래가 다를 수 있다는 사실도 눈으로 확인한다.
특수상대론을 알아가는 이 모든 흥미로운 여정은 과학자의 생각법을 따라 직접 ‘과학하기’를 체험하는 과정이기도 하다. 그렇게 상상하고 생각하고 곱씹고 음미하며 느리게 읽다 보면 불현듯, 지금껏 믿어왔던 시간과 공간의 개념이 뒤집히고 4차원 시공간의 새로운 지평이 열리는 놀라운 순간을 맞이하게 된다. 달리의 그림과 에셔의 판화가 다르게 보이고, 영화 〈인터스텔라〉를 연상시키는 브라이언 메이의 노래 〈‘39〉에 새삼 울컥한다. “앞으로 너와 세계선을 영원히 공유하고 싶어.” 같은 오글거리는 ‘이과 멘트’를 날려 보고 싶은 부작용도 있긴 하다.
저자

김찬주

이화여자대학교물리학과교수.서울대학교물리학과에서입자물리학이론전공으로박사학위를받았다.양자장론의여러주제를연구하고있으며,2006년한국물리학회의‘백천물리학상’을수상했다.2012년에는그의강의가SBS,한국대학교육협의회,한국교육개발원이10년간선정하는‘대학100대좋은강의’의첫다섯강의중하나로꼽혔다.2015년부터K-MOOC에서‘현대물리학과인간사고의변혁’이라는교양물리학과목을강의하고있으며,현재‘네이버프리미엄콘텐츠’에‘물리학으로세상을보는경이로움’을연재중이다.저서로는『어느물리학자의세상보기』가있다.

목차


머리말:과학으로세상을이해한다는것7
들어가는말:특수상대론의특별함17

Ⅰ.특수상대론을만나기위한짧은준비
1강.바람맞은약속,그리고시간과공간25
2강.일상에서속도더하기:1차원31
3강.일상에서속도더하기:2차원37
[토론]달리는차에서밖으로던진쓰레기의행방44/열린공간과닫힌공간은다르다?46

Ⅱ.빛의속도와관성계
4강.빛의속도,그심오함에관하여51
5강.상식적시간과공간의붕괴60
6강.누가정지해있고누가움직이는가68
7강.관성계와특수상대론의두가지가정77
[토론]빛의속도는왜특별한가86/일반상대론에서도빛의속도는항상c인가87/상대론적속도의덧셈88

Ⅲ.시간
8강.너의시간과나의시간은다르다93
9강.광속불변이면절대적동시는없다101
10강.시계와자,그리고좌표계109
11강.빛으로시간을재는법117
12강.시간팽창,그필연적이유124
13강.시간팽창공식130
14강.움직이면진짜시간이느리게흐른다136
15강.시간은얼마나느려질수있는가143
16강.시간팽창효과의검증:뮤온붕괴150
17강.서쪽으로간비행기의시간이빨라진까닭은156
18강.지구자전및중력과시간의흐름161
19강.GPS의원리와광속불변168
20강.GPS와시간팽창176
[토론]빛시계의길이변화183/빛시계를눕혀서사용할수는없는가183/사고실험과물리적통찰184

Ⅳ.시간여행
21강.쌍둥이역설:서기3000년의어느날189
22강.미래로시간여행을하는방법197
23강.시간여행의실제202
24강.과거로의시간여행은가능한가208
25강.시간여행의물리학215
[토론]쌍둥이역설비틀어보기222/공간이무한히긴직선이아닐때의쌍둥이역설223/과거로의시간여행이불가능하다는결론은얼마나믿을수있는가224

Ⅴ.시공간
26강.움직이면길이가줄어든다229
27강.특수상대론적‘오징어게임’235
28강.특수상대론의종합효과242
29강.[퀴즈]두기차역과기차의특수상대론250
30강.[퀴즈의답]두기차역과기차의특수상대론257
31강.시간과공간에서4차원시공간으로265
32강.시공간그림을그리자272
33강.빛의세계선과시공간그림279
34강.시공간그림그리는법287
35강.시공간,물리학자처럼이해하기294
36강.과거,현재,미래,그리고‘딴곳’303
37강.초광속이면타임머신이되는이유312
[토론]시공간그림과로런츠변환320/두기차역과시계문제를시공간그림으로그려보기321

Ⅵ.E=mc²
38강.운동량보존법칙327
39강.새로운운동량을찾아서338
40강.상대론적운동량346
41강.정지질량의합은보존되지않는다351
42강.왜E=mc²인가356
43강.E=mc²의의미363
44강.질량·에너지동등성370
45강.E=mc²과핵폭탄379
46강.E=mc²과반물질390
47강.특수상대론을넘어399
[토론]보존법칙은늘성립할까?_뇌터의정리404/빛의에너지와운동량,그리고양자역학405/특수상대론의응용407

맺음말:놀이동산에서나오며412

〔부록〕로런츠변환유도415/상대론적속도의덧셈공식유도418/반물질의존재419

출판사 서평

[네이버연재로먼저만난독자의반응]
“와기훈의시간을알수없다는게소름,충격!”_용띠아줌마
“상대성이론관련지금까지본글중가장이해하기쉽고,아름답게쓰신것같습니다.다음편이벌써기다려집니다.”_워니둘
“새벽까지읽고있는독자입니다.너무재밌어요.문과생출신에게이렇게재밌는물리수업을해주시다니,이깔끔한설명들정말감동적이에요.”_닉네임겁나겹쳐
“영화나웹툰저리가라재밌네요.소설책읽는것처럼재밌고흥미진진해요.”_음메켈리
“아예공간의변화와시간의변화를연결해서생각해야했네요.지금까지배운내용중가장충격적으로새로운시야가열린기분입니다.”_몽환포영
“움직이는큰빙하에서공을던지는것에서마음이납득됐어요.”_너비아니
“교수님글을읽으니나이40을훌쩍넘긴이나이에도호기심이샘솟네요.”_Dedication

이책은특수상대론을일반인의눈높이에서알기쉽게설명하기위해썼습니다.하지만,그것이유일한목적은아닙니다.책을쓴가장근본적인의도는특수상대론을통해독자가물리학연구를직접체험하게하는것입니다.관람이나견학,시찰,혹은간접체험이아니라시작부터끝까지물리학자처럼생각하고물리학자처럼결론에도달하는완결된직접체험입니다.이런온전한체험이우리가살고있는세상을과학의눈으로새롭게바라보는계기가될수있기때문입니다._머리말에서

이책은〈네이버프리미엄콘텐츠〉에서인기리에연재되었던글을엮은것으로,연재당시독자들의반응과질문을반영해표현을다듬고내용을보완했다.전체47개의글을주제에따라여섯개의장으로나누어묶었으며,각장의끝에[토론]을두어남아있는의문점과추가논의를다루었다.몇가지심화내용은부록으로덧붙였다.

Ⅰ장.특수상대론을만나기위한짧은준비
특수상대론은일상경험을통해획득한상식적시간과공간의개념을뒤집는이론이다.Ⅰ장에서는,특수상대론을본격적으로설명하기에앞서상식적시간과공간의개념을정리한다.우리의일상경험에따르면우주에는하나의절대적인시간이흐르고있다.세상어디에서든시간은1초,1초똑같이흘러가고,따라서나의1초는너의1초와같다.

Ⅱ장.빛의속도와관성계
특수상대론은두가지가정을바탕으로한다.첫째는모든관성계가동등하다는‘특수상대성원리’이고,둘째는빛의속도가모든관성계에서일정하다는‘광속불변의원리’이다.Ⅱ장에서는,어디선가많이들어익숙한이두가정의진정한의미가무엇인지알아본다.광속의99%의속도로달리는우주선에서보아도빛의속도는똑같을까?빛의속도가늘같다는사실이왜놀라울까?왜빛의속도만그렇게특별한가?여러의문에답을찾을수있다.

Ⅲ장.시간
위의두가지가정을바탕으로본격적으로특수상대론의여러효과를설명한다.나에게동시에일어난사건이일정한속도로움직이는사람에게는동시가아닐수있다는동시성파괴,움직이면시간이천천히흐른다는시간팽창을알아본다.이제우리는모두자신만의자와시계를갖고,나의1년이너에게는1시간이될수도있다는사실을이해하게된다.정밀한원자시계를비행기에태우고각각동쪽과서쪽으로여행하여시간팽창효과를검증한1960년대실험결과도확인할수있다.오늘날에는휴대전화지도앱에서자신의위치를확인할때마다우리모두가상대론의검증에동참하고있다!GPS의원리에시간팽창효과가들어있기때문이다.

Ⅳ장.시간여행
시간팽창을기반으로쌍둥이역설을알아보고,미래로의시간여행이가능할뿐아니라현실에서항상일어나는일임을이해한다.과거로의시간여행은불가능하다는것도확인한다.이번장에서는서기2980년에태어난쌍둥이기훈과지영,그리고마침내광속의99%속도로움직이는우주선이개발된서기3000년의이야기가펼쳐진다.브라이언메이의노래〈‘39〉의가사를음미해보는시간도준비되어있다.

Ⅴ장.시공간
특수상대론에따르면공간에서도길이수축효과가나타나기때문에시간과공간이통합되어야하는데,그것을‘시공간’이라고한다.Ⅴ장에서는특수제작된신장계와상대론적‘오징어게임’을통해길이수축을알아보고,시공간그림을이용해물리학자가이해하는방식으로과거,현재,미래,그리고‘딴곳’의개념을살펴본다.원리적으로불가능하지만‘만약에’빛의속도보다빠르게움직이는물체가있다면그것이왜과거로가는타임머신이될수있는지도이해한다.

Ⅵ장.E=mc²
과학에서가장유명한방정식인E=mc²이어떻게나오는지직접유도해보고,이를통해질량과에너지의동등성을이해한다.핵발전과핵폭탄의원리,특수상대론을통해물질의존재양식을어떻게이해할수있게되었는지도알아본다.물리학의전체지형에서특수상대론의위치를확인하고,일반상대론,고전역학,양자역학과의관계도살펴본다.