제 0장: 아인슈타인의 상대성 이론 소개
20세기 초, 알베르트 아인슈타인은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론이라는 획기적인 이론들로 우주, 시간, 그리고 중력에 대한 우리의 이해를 혁신했습니다. 이러한 이론들은 근본적으로 우리가 우주를 보는 방식을 변경하고 현대 물리학의 기초를 제공했습니다.
아인슈타인의 상대성 연구는 1905년 그의 특수 상대성 이론으로 시작되었습니다. 이 이론은 두 가지 핵심 가정에 기반해 있었습니다:
- 물리법칙은 모든 관성기준 프레임에서 동일합니다.
- 진공 상태에서 빛의 속도는 빛의 원점이나 관측자의 운동과 독립적인 고정값입니다.
이보다 처음 봤을 때 단순해 보이는 가정들로부터 아인슈타인은 절대적인 공간과 시간에 대한 전통적인 뉴턴의 관점에 도전하는 깊은 결과를 도출했습니다. 특수 상대성 이론은 공간과 시간이 밀접하게 연결되어 있는 것을 보여주었으며, 서로 다른 관측자는 그들의 상대적인 운동에 따라 길이와 지속시간에 대해 의견이 다를 수 있다는 것을 보여주었습니다. 시간 확대, 길이 압축, 그리고 동시성의 상대성은 이론의 예측으로 나타났습니다.
특수 상대성 이론의 통찰력을 기반으로, 아인슈타인은 다음 10년 동안 가속된 관성프레임에 상대성 원리를 확장하고 중력을 기하학적 용어로 설명하기 위해 일반 상대성 이론을 개발했습니다. 일반 상대성 이론에서 중력은 더 이상 힘이 아니라 질량과 에너지의 존재에 의해 융성공간의 곡률로 본다는 것입니다. 이 이론은 태양에 의한 별빛 굴절, 블랙홀의 존재, 그리고 우주의 팽창과 같은 뚜렷한 예측들을 제시합니다.
그들이 처음 발표된 후로 백년이 지났지만, 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론은 엄격한 실험적 검증을 거쳐 무사히 존재해 왔습니다. 수십 마력 오비의 궤도의 정밀한 측정부터 충돌하는 블랙홀에서의 중력파 탐지까지, 상대성은 역사상 가장 성공적인 과학 이론 중 하나로 입증되었습니다.
하지만 그것의 성공에도 불구하고, 상대성 이론은 여전히 많은 사람들에게 직관적으로 이해하기 어렵고 말장난인 남아 있습니다. 우리 일상 경험과는 다소 모순되는 질량과 에너지에 반응하여 공간과 시간을 뒤틀어 버리는 것을 묘사하는 것입니다. 상대성을 이해하기 위해서는 우리가 현실의 본질에 관한 선입견과 직관을 버려야 합니다.
이 책에서는 우리가 아인슈타인의 상대성 이론에 내포된 신비를 해체하기 위해 여행을 시작합니다. 첫 원칙들로부터 출발하여, 우리는 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 개념적인 틀과 수학적 형식을 철저히 개발해 나갈 것입니다. 우리는 상대성의 흥미로운 함의들을 탐구할 것이며, 쌍둥이 역설과 E=mc2로부터 웜홀과 시간 여행까지 살펴볼 것입니다. 그리고 우리는 상대성이 입자물리학의 아주 작은 세계부터 우주의 대형 구조까지 현대 이해에 어떻게 형성된지 알아볼 것입니다.
우리가 진행할 때, 수학적 엄격성보다는 명료함과 물리적 통찰력을 추구할 것입니다. 일부 등식은 피할 수 없지만, 핵심 아이디어들에 대한 깊은 직관적 이해를 발전시키는 것이 강조될 것입니다. 사고 실험, 유추법, 및 그림 등이 우리의 여행을 안내하는 데에 광범위하게 사용될 것입니다.
이 책을 마치면, 당신은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론에 대해 견고한 이해를 갖게 될 것입니다. 아인슈타인의 미학적이고 심오한 이론들이 어떻게 우주, 시간, 그리고 중력에 대한 우리의 관점을 형성했는지 이해할 수 있게 될 것입니다. 그리고 당신은 현대 물리학의 핵심에 자리한 우아하고 심오한 이론들에 대한 새로운 감사함을 가질 것입니다.
그러니 아인슈타인의 상대성 이론을 탐색해 보며, 그것이 출생 이래로 온 세기 이상을 초월하여 우주에 대한 우리의 관점을 형성하는 데에 어떻게 이어져 왔는지 살펴봅시다.