갈릴레이의 고전역학에서 아인슈타인의 특수상대성이론까지

천재 과학자 아인슈타인이 들여다본 시공간의 비밀을 그의 논문으로 파헤쳐 본다!

문과생도 쉽게 이해할 수 있는 특수상대성이론 일대일 수업!

수학과 과학사로 풀어가는 노벨 과학상 수상 오리지널 논문 제대로 맛보기

그동안 양자역학과 상대성이론에 관한 책은 무수히 쏟아져 나왔다. 그런데 대부분 관련된 역사 이야기들 중심으로 쓰여 있다. 이제는 수식을 피하지 말고 천재 과학자의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며 이 시리즈가 기획되었다.

이 책에는 논문에 담긴 수식을 풀어가는 과정이 그대로 등장한다. 물론 어려운 내용도 있지만 고등학교 수준의 수학만 알면 이해할 수 있도록 친절하게 설명하였다. 학생과 정교수의 일대일 대화를 따라가다 보면 수식에 두려움이 있는 문과생도 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

이 책은 26세 청년 아인슈타인의 특수상대성이론 최초의 논문(1905년)에 초점을 맞추었다. 논문의 이해를 돕고자 첫 번째 만남에서 갈릴레이와 뉴턴 역학을 역사적으로 다루었고, 두 번째 만남에서는 광속을 측정한 사람들과 에테르를 믿었던 과학자들의 이야기를 하였다. 이를 통해 세 번째 만남에서 아인슈타인의 논문 1부를 강의하였다. 네 번째 만남에서 전자기학의 역사, 다섯 번째 만남에서 맥스웰 방정식 및 파동의 성질을 논의했다. 이를 토대로 여섯 번째 만남에서 논문 2부를 강의하였고 마침내 E=Mc² 공식에 도달한다. 책의 뒤쪽에는 논문 영문본을 실어 오리지널 논문에 대한 간접 체험을 할 수 있도록 하였다.

과학도를 꿈꾸는 학생, 양자역학과 상대성원리를 좀 더 알고 싶은 사람, 학생들에게 위대한 논문을 소개하려는 과학 선생님, <인터스텔라>를 능가하는 SF 영화를 만들고 싶어 하는 영화 제작자나 웹툰 작가 등 과학에 관심을 가진 많은 사람들에게 이 시리즈를 추천한다. 이 시리즈 전20권에는 역대 노벨 물리학상 수상자들이 모두 등장한다.

 

[노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈](출간 예정 목록)

1권 : 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 특수상대성이론

2권 : 마리 퀴리(1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상) – 방사선과 원소

3권 : 플랑크(1918년 노벨 물리학상) – 양자혁명

4권 : 보어(1922년 노벨 물리학상) – 원자모형

5권 : 하이젠베르크(1932년 노벨 물리학상) - 불확정성원리

6권 : 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 브라운운동

7권 : 왓슨과 크릭(1962년 노벨 생리의학상) - DNA 구조

8권 : 디랙(1933년 노벨 물리학상) - 반입자

9권 : 찬드라세카르(1983년 노벨 물리학상) - 별의 물리학

10권 : 바딘(1972년 노벨 물리학상) - 반도체 물리학

11권 : 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 일반상대성이론

12권 : 유카와 히데키(1949년 노벨 물리학상) - 핵력

13권 : 폴링(1954년 노벨 화학상, 1962년 노벨 평화상) - 화학결합

14권 : 파인먼(1965년 노벨 물리학상) - 양자전기역학

15권 : 피블스(2019년 노벨 물리학상) - 우주팽창과 암흑물질

16권 : 글라우버(2005년 노벨 물리학상) - 양자광학

17권 : 홀데인(2016년 노벨 물리학상) - 양자물질

18권 : 하셀만(2021년 노벨 물리학상) - 기후 물리

19권 : 차일링거(2022년 노벨 물리학상) - 양자정보

20권 : 겔만(1969년 노벨 물리학상) - 쿼크모형

 

 

[목 차]

추천사

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

드디어 시간이 움직이다! _호킹 박사 깜짝 인터뷰

 

첫 번째 만남│아인슈타인 이전의 물리학

아리스토텔레스의 운동론 _돌이 땅에 떨어지는 그럴듯한 이유

고전역학의 창시자 갈릴레이 _지루한 설교 덕분에 대단한 발견을!

갈릴레이, 속력을 정의하다 _두 물체의 빠르기는 어떻게 비교할까?

고전역학을 완성한 뉴턴 _거인의 어깨 위에서

미분과 적분의 발견 _한없이 가까워지고 무한히 잘게 나누기

미분으로 순간속도를 정의하다 _내 차의 속도는 얼마나 변했을까?

뉴턴의 세 가지 운동법칙 _지금처럼 쭈욱 가보자고!

갈릴레이의 상대성원리 _가로수가 뒤로 가는 것처럼 보이는 이유

일과 운동에너지 _물체를 움직이는 힘에 대하여

 

두 번째 만남│영웅 아인슈타인의 등장

빛의 속력을 측정한 과학자들 _너는 너무나 빨라!

에테르 논쟁 _잘은 모르지만 존재해야만(?) 한다

마이컬슨·몰리의 실험 _에테르를 찾아보자!

로런츠·피츠제럴드 수축 _잘못된 신념이 만들어 낸 억지 이론

마흐의 역학 비판 _시간이 먼저냐 운동이 먼저냐

아인슈타인의 학창 시절 _천재성을 꽃피운 환경의 중요성

 

세 번째 만남│논문 속으로 1부

특수상대성이론 논문의 개요 _혁명적인 두 가지 가설

테일러, 함수를 급수로 나타내다 _함수를 전개식으로 나타내는 마술

정지해 있는 막대기의 길이 재기 _빛으로 캐치볼을!

등속도 v로 움직이는 막대기의 길이 재기 _내가 보는 빛의 이동 거리는?

길이와 시간의 상대성 _너와 나의 시간은 다르다

아인슈타인의 속도 덧셈 _빛의 속도에서는 이 규칙을!

 

네 번째 만남│전기를 연구한 사람들

정전기로부터 시작된 전기 연구 _일상의 불편을 예사로 넘기지 않다

클라이스트와 레이던병 _전기를 모아 보자!

쿨롱의 법칙 _두 전하 사이의 법칙에 대하여

전지의 발명 _서로 다른 금속판 사이에 무슨 일이?

전기장 _전기력 게임을 할 준비가 되었다!

가우스의 법칙 _핵심으로 가는 어려운 길목

전위(전기퍼텐셜) _중력과 닮은 전기력의 성질

 

다섯 번째 만남│전기와 자기의 비밀

자기장 _거대한 자석, 지구

전류의 자기 작용 _전류가 흐르면 나침반이 움직인다?!

앙페르의 법칙 _전류와 전류 사이에 작용하는 힘

패러데이의 전자기 유도 법칙 _자석이 움직이면 무슨 일이 일어날까?

맥스웰 방정식 _전자기에 대한 완벽한 방정식

빛은 전자기 파동 _광속으로 움직이는 파동에 대하여

도플러 효과 _파동의 진동수를 다르게 느끼다

 

여섯 번째 만남│논문 속으로 2부

빈 공간에서 맥스웰 방정식의 상대성이론 _두 관찰자는 맥스웰 방정식을 어떻게 묘사할까?

상대론적 도플러 효과 _두 관찰자는 전자기파의 위상을 어떻게 볼까?

질량 에너지 관계식 E=Mc² _하이라이트 공식의 탄생

 

만남에 덧붙여

On the Electrodynamics of Moving Bodies _아인슈타인 논문 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

 

- 남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등의 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다.

이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

 

 

- 전국과학교사모임

저는 일반계 고등학교 물리 교사입니다. 물리 과목을 선택한 학생들과 함께 현대 물리학에 대한 심화학습 활동으로 1901년 수상자인 뢴트겐으로부터 현재 여러 과학자들에 이르기까지 그분들의 업적과 학문에 대한 기여, 노벨상 수상 소감 등을 찾아본 경험이 있습니다. 더 나아가 노벨 물리학상을 수상한 과학자가 수행했던 실험 중 학생들과 직접 할 수 있는 실험들을 찾아 해 보기도 했습니다. 한 차시 실험 수업을 준비하기 위해 많은 시간을 할애하여 수업 자료를 만들었던 기억이 납니다. 그러던 중에 성림원북스에서 발간하는 <노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈>를 접하게 되었습니다.

《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 특수상대성이론》 이 책 한 권으로 특수상대성이론이 나오기까지의 방대한 물리학 지식 형성 과정을 상세히 접할 수 있었습니다. 특히 고등학교에서 역학과 전자기학 및 파동에 대한 지식을 접하고 현대 물리에 관심이 높은 학생들, 학생들에게 현대 물리를 의미 있게 가르치고 싶은 물리 선생님, 대학교에서 물리를 공부하는 대학생들과 현대 물리에 관심이 있는데 수학을 몰라서 주저했던 일반인들에게 이 책을 추천하고 싶습니다.

책에 쓰여 있는 수식을 이해하기 어렵다는 이유로 외면하다 보면 과학 지식의 언어인 수식을 잃어버리게 됩니다. 저자는 특수상대성이론을 접하기 전에 과감히 역학부터 맥스웰 방정식까지의 수식을 접할 수 있도록 책에 기술하였습니다. 이러한 시도를 볼 때 물리 교사로서 너무나 통쾌함을 느낍니다. 저자가 전개하는 아인슈타인 이전 여러 과학자들의 이야기와 수식에 대한 해설을 보면서 아인슈타인의 논문에 대한 이해를 경험해 보시기를 바랍니다. 여러분도 이 책이 인도하는 깨달음의 기쁨을 느끼시길 기대합니다.