서적소개
상대성이란 무엇인가
The Meaning of Relativity
알베르트 아인슈타인 / 김영사 / 2011.4.25
1921년 프린스턴대학 초청으로 이루어진 아인슈타인의 명강연을 엮은 이 책은 인류 과학의 역사가 집대성된 결과물이다. 절대론, 이성중심주의가 지배하던 세계를 단번에 무너뜨리고, 새로운 인식 체계와 세계관, 우주관으로의 대전환을 가져온 인류 지성의 결정체, 모두가 알지만 누구도 모르는 상대성이론을 이해하기에 이보다 더 훌륭한 책은 없다.
천재의 20세기, 그 선두에 우뚝 서 있는 아인슈타인의 입을 통해 직접 듣는 광활하고 신비로운 우주의 비밀을 탄탄한 번역과 풍부하고 깊이 있는 해설로 구성한 이 책은 물리학 입문 필독서로서 과학자뿐 아니라 우주의 비밀이 궁금한 모든 이들이 반드시 읽어야 할 고전이다.
○ 목차
서문｜아인슈타인의 위대한 유산
1｜상대성이론 이전의 시간과 공간
2｜특수상대성이론
3｜일반상대성이론Ⅰ
4｜일반상대성이론Ⅱ
부록 1｜우주론문제
부록 2｜상대론적 비대칭장론
옮긴이의 글
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○ 저자소개 : 알베르트 아인슈타인 (Albert Einstein, 1879~1955)
알베르트 아인슈타인 (Albert Einstein, 1879~1955)은 1879년 3월 14일, 독일 울름에서 아버지 헤르만 아인슈타인과 어머니 파울리네 사이에서 태어났다. 어린 시절, 아버지가 뮌헨에 전기공장을 세우고 일을 시작하자 그곳으로 이주해 학업을 시작했으나 19세기 독일의 엄격하고 현학적인 교육 환경에 적응하지 못했다. 결국 그는 성적 부진으로 김나지움을 졸업하지 못했다. 아버지의 사업 부진으로 가족들이 밀라노로 이주한 지 얼마 안 된 시기였다. 아인슈타인은 스위스에서 독학으로 다시 공부를 시작해 취리히 연방공과대학에 응시했으나 낙방했다. 하지만 그의 탁월한 수학 성적에 주목한 학장의 배려로 아라우에 있는 자유로운 분위기의 고등학교에서 1년간 공부한 후 마침내 연방공과대학에 입학하게 된다.
1900년 봄, 대학을 졸업한 그는 스위스 시민이 되었고, 2개월간 수학 가정교사로 일하다 베른에 있는 특허사무소 심사관으로 채용되었다. 5년간 특허사무소에 일하던 아인슈타인은 1905년 독일의 『물리학연보Annalen der Physik』에 5개의 중요한 논문을 발표했다. 그 가운데 「분자 차원의 새로운 결정」이라는 논문으로 연방공과대학에서 박사학위를 받았고, 다른 논문들에서는 유명한 광전효과, 브라운운동이론, 특수상대성이론을 제시했다. 특히 특수상대성이론에서는 ‘모든 좌표계에서 빛의 속도가 일정하고 모든 자연 법칙이 똑같다면, 시간과 물체의 운동은 관찰자에 따라 상대적’이라는 이론을 제기하면서 그때까지 인간이 가지고 있던 우주관을 완전히 바꾸어놓았다. 또한 그는 질량과 에너지의 등가원리를 확립했는데, 이에 따르면 ‘물질이 갖는 에너지는 그 물질의 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 값과 같다’고 한다. 이것이 유명한 공식 E=mc2이다.
특수상대성이론으로 명성을 얻은 그는 1914년 독일 프로이센과학아카데미에 자리를 얻어 그곳에서 연구하면서 때때로 베를린대학교에서도 강의를 하였다. 그리고 1916년 마침내 『물리학연보』에 「일반상대성이론의 기초」를 발표했다. 이 이론에 따르면 중력은 뉴턴이 말한 힘이 아니라 ‘시공연속체 속에 있는 존재에 의해 생긴 굽어진 장(場)’이다. 그의 이론으로 시공간에 대한 개념은 완전히 바뀌었으며, 그때까지 알 수 없었던 수많은 우주 현상을 설명할 수 있게 되었다. 특히 1919년 런던 왕립학회가 프린시페 섬에서 행한 과학탐사에서 일반상대성이론으로 예측한 계산값을 증명하는 일식현상을 관찰함으로써, 아인슈타인은 세계적인 명성을 얻게 되었다.
1921년, 아인슈타인은 노벨물리학상을 수상하기에 이른다. 하지만 상대성이론이 아니라 1905년에 발표한 ‘광전효과’에 대한 공로 때문이었다. 이 이론을 설명하는 광양자 가설은 훗날 양자역학을 낳는 시금석이 되었다. 하지만 그는 양자역학의 성공을 인정하지 않고 거리를 두며 말년에는 주로 통일장이론을 연구하는 데 몰두했다.
1933년 나치가 집권하자 시민권을 포기하고 독일을 떠난 그는 이후 20여 년 동안 프린스턴 고등연구소에서 거의 변화 없는 생활을 유지했다. 1939년, 아인슈타인은 루스벨트 대통령에게 보내는 핵무기 연구에 관한 유명한 서한에 서명함으로써 ‘맨해튼 계획’ 수립에 영향을 끼쳤지만, 히로시마 원폭 투하에 충격을 받아 핵무기 폐기를 위한 운동에 동참했으며, 비무장 세계정부 수립을 위한 운동을 활발하게 전개했다. 한편 1940년, 아인슈타인은 마침내 미국 시민권을 취득했다. 하지만 그는 언제나 자신을 유럽인으로 생각했다. 1952년 이스라엘의 2대 대통령을 제안받기도 했던 그는 이를 정중히 거절하고 연구에만 몰두했다. 그리고 1955년 대동맥류 파열로 프린스턴 병원에 입원한 뒤 그해 4월 18일 그곳에서 76세를 일기로 세상을 떠났다.
알베르트 아인슈타인의 시기별 연구들을 살펴보면, 유년기 숙부의 영향으로 수학과 과학에 대해 관심을 갖게 되었고, 취리히의 연방공과대학에서 4년간 물리학과 수학에 몰두하게 된다.
1900년 아인슈타인은 베른에 있는 스위스 특허 사무소에서 심사관으로 일을 시작했다. 1905년 아인슈타인은 독일의 유명한 월간 학술지 「물리학 연보 (Annalen der Physik)」에 「분자 차원의 새로운 결정 (A New Determination of Molecular Dimensions)」이라는 논문을 발표했는데, 나중에 취리히 대학교에서 이 논문으로 박사학위를 받았다. 그해 아인슈타인은 「물리학 연보」에 중요한 논문 4개를 더 발표했다. 브라운 운동 이론에 관한 「정지 액체 속에 떠 있는 작은 입자들의 운동에 대하여 (On the Movement of Small Particles Suspended in Stationary Liquids Required by the Molecular-Kinetic Theory of Hea)」, 빛을 파동으로서뿐 아니라 입자 성질을 갖는 광자로 가정해 광전 효과를 설명한 「빛의 발생과 변화에 관련된 발견에 도움이 되는 견해에 대하여 (Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Ge- sichtspunkt)」, 특수 상대성 이론을 소개한 「운동하는 물체의 전기역학에 대하여 (Zur Elektrodynamik bewegter Körper, 영: On the Electrodynamics of Moving Bodies)」, 질량과 에너지가 같다는 사실을 확립한 「물체의 관성은 에너지 함량에 의존하는가 (Ist die Tragheit eines Korpers von seinem Energieinhalt abhangig)」.
1916년에는 「물리학 연보」에 「일반 상대성 이론의 기초 (Die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie)」를 발표한다. 이로 인해 아인슈타인은 천재적인 과학자로서 국제적인 명성을 얻게 되고, 1921년 상하이에서 “당신의 광전법칙과 이론물리학 분야에서의 업적으로 노벨 물리학상을 받게 되었다”는 국제전보를 받는다.
아인슈타인은 전자로부터 행성까지 우주 안에 있는 모든 것의 작용을 지배하는 일반 법칙을 발견하려는 노력을 중단하지 않았다. 그는 단일한 방정식이나 공식들을 물질과 에너지의 보편적 속성들과 연관시키려고 했는데 이는 나중에 통일장 이론으로 불리게 된다.
1933년 독일에서 히틀러가 집권하자 아인슈타인은 독일 시민권을 포기하고 미국으로 떠났으며, 1955년 4월 18일 프린스턴 병원에서 잠을 자다가 숨을 거두었다.
– 역자 : 고중숙
서울대학교 자연대학 화학과를 졸업하고 미국 애크런대학교에서 레이저분광학으로 박사학위를 받았다. 미국 피츠버그대학교에서 박사후과정을 지냈으며, 국립순천대학교 화학교육과 교수로 재직했다. 현재 과학 문화의 저변 확대에 많은 관심을 갖고 폭넓은 번역 및 집필 활동을 하고 있다. 지은 책으로 『고중숙 교수의 과학 뜀틀』, 『중학수학 바로 보기』, 『유레카 E=mc2 』, 『아인슈타인, 시간여행을 떠나다』 등이 있고, 옮긴 책으로 『무, 영, 진공』, 『상대성이란 무엇인가』, 『물리학 특강』, 『우주, 또 하나의 컴퓨터』, 『수학자는 어떻게 사고를 하는가』, 『무의 수학 무한의 수학』 등이 있다.
– 서문 : 브라이언 그린 (Brian Greene)
초끈이론과 우주론 등을 이론물리학계의 선두에서 이끄는 브라이언 그린은 25개국을 넘나들면서 기초물리학 및 고급물리학을 강의한 세계적인 물리학자이다. 끈이론의 신비를 쉽고 명쾌하면서도 우아한 언어로 표현한 글로벌 베스트셀러인 《엘러건트 유니버스》를 집필한 저명한 과학저술가로 《우주의 구조》, 《블랙홀을 향해 날아간 이카루스》 등 출간하는 책마다 전 세계 물리학자들의 이목을 집중시키며, 〈뉴욕타임스〉와 아마존 논픽션 분야 베스트셀러에 오르는 등 인류과학사를 빛낼 걸작이라는 찬사를 받고 있다.
하버드대학교를 졸업하고 옥스퍼드에서 로즈장학생 (Rhodes scholar)으로 박사학위를 받았다. 1990년에 코넬대학교 교수로 부임하여 1995년에 정교수가 되었고, 현재 컬럼비아대학교의 수학과 및 물리학과 교수로 재직하고 있다. 인터넷 동영상 강의인 〈TED〉와 미국 PBS 방송의 다큐멘터리 〈노바 : NOVA〉 등에 직접 출연하는 등 초끈이론의 대중화를 위해 활약하고 있다. 현재 그는 안데스와 뉴욕을 오가며 연구 활동에 매진하고 있다.
○ 책 속으로
간결하게 정리된 수식에 숨겨진 상대성이론의 구체적 면면들을 신중하게 숙고할 때면 어김없이 맞닥뜨리는 ‘상대성의 참된 의미’의 경이로움에 고개를 숙이지 않을 수 없다. 아인슈타인 이전까지 시간과 공간은 실체의 무대 그 자체였다. 그러나 상대성이론은 바로 그 무대에서 세상을 뒤흔드는 혁명을 일으켰고, 실체에 대한 인류의 관념은 근본부터 허물어졌다. — P. 8~9
이것은 충격적일 만큼 너무나 놀라운 제안이었다. 아인슈타인은 특수상대성이론을 통해 시간과 공간이라는 우주의 뼈대가 일반적으로 상상할 수 있는 견고한 구조물로 해체될 수 없는 것임을 밝혔다. 그런데 일반상대성이론에서는 더 나아가 우주의 뼈대가 물질과 에너지의 존재에 감응하여 그 형상을 바꾸며, 이렇게 바뀐 형상은 또한 그 안에서 움직이는 물체들의 운동에 영향을 미친다고 말하는 것이다. 아인슈타인에 따르면 시간과 공간은 우주의 진화에 관해 방관자가 아니라 중요한 참여자이다. — P. 15
○ 출판사 서평
.국내 최초로 소개되는 아인슈타인의 세기의 명강의! 천재의 20세기, 그 선두에 우뚝 서 있는 아인슈타인! 그의 입을 통해 직접 듣는 광활하고 신비로운 우주의 비밀!
– 모두가 알지만, 누구도 모르는 상대성이론
아인슈타인은 뉴턴과 함께 역사상 쌍벽을 이루는 최고의 과학자이다. 이는 과학자들이 1666년 (만유인력법칙의 발견)과 1905년 (특수상대성이론의 발표)의 두 해를 ‘기적의 해’라고 부르면서 이들의 업적을 기리고 있다는 데에서도 알 수 있다. 상대성이론에 대해 들어보지 못한 사람은 없을 것이다. 누구나 아인슈타인을 알고 상대성이론 (이란 말)을 알지만, 정작 진짜 상대성이론이 무엇인지, 우리에게 남긴 유산이 무엇인지에 대해서는 잘 알지 못한다. 아인슈타인의 상대성이론이 발표된 지 거의 100년이라는 세월이 지났다. 하지만 현대물리학에서 상대성이론은 여전히 유효하고 영향력이 막강하다. 아인슈타인 이전 과학계와 사람들의 인식 체계를 뉴턴이 지배하고 있었다면, 특수상대성이론의 발표 후 인간의 인식 체계와 세계관은 그 뿌리부터 송두리째 변화했다.
아인슈타인 상대성이론의 이런 생명력은 이론 자체가 완벽하고 무결점이기 때문이 아니다. 아인슈타인 이후 더욱 발전한 현대과학의 기준에서 상대성이론은 모순점도 가지고 있고, 해결하지 못한 문제점들도 있는 것이 사실이다. 아인슈타인 자신조차 자신 이후에 발전한 수학적, 과학적 진보는 놀라워서 따라가기 힘들다고 말했을 정도이다. 이런 현실에서도 상대성이론이 영향력을 떨치고 있는 것은 바로 그것이 현대물리학의 시작이기 때문이다. 그리고 아인슈타인이 상대성이론을 통해 제기한 문제점을 풀어가는 과정 자체가 현대과학의 발전사의 궤도이다.
이런 상대성이론에 대해 일반 대중들이 쉽게 접근할 수 있는 책은 많지 않다. 그런 면에서 이 책의 장점은 아인슈타인이 대학 초청 강연을 통해 상대성이론의 가장 핵심적 골자를 말해주고 있다는 것, 그리고 상대성이론이 출현하게 된 배경 스토리에서 상대성이론을 이야기하고 있어서 독자들이 친근하게 다가갈 수 있다는 것이다. 수식이 이해가 가지 않는다고 해서 이 책을 덮을 필요는 없다. 수식의 이해 말고도 이 책에서 상대성이론의 탄생과 그것이 무엇을 풀기 위해 그런 과정을 거치는가에 대한 이야기만으로 현대 과학의 흐름을 짐작할 수 있게 한다.
– 상대성이론의 사상적 의미
간결하게 정리된 수식에 숨겨진 상대성이론의 구체적 면면들을 신중하게 숙고할 때면 어김없이 맞닥뜨리는 ‘상대성의 참된 의미’의 경이로움에 고개를 숙이지 않을 수 없다. 아인슈타인 이전까지 시간과 공간은 실체의 무대 그 자체였다. 그러나 상대성이론은 바로 그 무대에서 세상을 뒤흔드는 혁명을 일으켰고, 실체에 대한 인류의 관념은 근본부터 허물어졌다. _ 본문 8-9쪽
뉴턴 이후부터 아인슈타인 이전까지, 인류는 우주의 모든 것이 절대적이라고 믿었다. 이런 믿음은 자연철학에 있어서도 절대 법칙에 의해 우주가 운용되고 있다는 기계론적 세계관을 확립시켰고, 이것은 필연적으로 인간중심적?이성중심적 사고를 발달시켰다. 이성이 절대적이고, 그 이성을 통한 논리적 사유를 통해 귀결된 결과물 역시 절대 진리라는 데카르트의 사유 제1원칙 (“Cogito Ergo Sum”) 역시 이런 생각을 토대로 하고 있는 것이다.
하지만 아인슈타인의 상대성이론이 발표된 이후, 뉴턴 중심의 인식관 자체가 근본적으로 붕괴되었다. 절대적이었던 시간과 공간은 기준(관찰자)에 따라 상대적인 것이 되었다. 이에 따라 절대적인 시간과 공간에서 파생되었던 이성적 사유의 절대성도 붕괴되었다. 이런 상대성이론은 인간 정신의 기저를 흔들어놓는 결과를 낳았으며, 포퍼의 반증주의, 니체의 관점주의의 발전 등 수많은 변화를 불러일으켰다. 이렇듯 상대성이론이 가져온 ‘절대적 이성’의 파괴는 자연과학을 넘어 인간 인식 체계 자체, 그에 따른 세계관 자체의 대전환을 가져왔다.
.국내 최초! 20세기를 이끈 위대한 과학의 원전 그대로! 시대를 초월한 과학의 고전, 과학의 패러다임을 뒤바꾼 기념비적 저서가 부활한다!
– 현재와 과거가 공감하고, 오늘과 내일을 연결하는 위대한 과학정신과 만난다!
시대를 초월한 과학의 고전, 20세기 인류의 역사를 뒤바꾸고 과학의 패러다임을 송두리째 바꿔버린 기념비적 저서를 엄선한 교양 과학 시리즈 <모던 & 클래식Modern & Classic>이 김영사에서 출간되었다. 인류 역사상 가장 급격하고 극적인 변화가 이루어진 20세기, 그 중심에 있는 과학의 발자취를 새롭게 조명한다는 기획의도 하에 20세기에 출간되었던 수많은 과학서들 중 그 정수라 할 수 있는 저작물만을 선정, 2년이 넘는 기간 동안 그 어떤 시리즈보다 치밀한 준비 과정을 거쳐 탄생한 이 시리즈는 그 자체만으로도 우리나라 출판계에 큰 의미를 지니는 작업이라 할 수 있다.
다른 분야와 달리 과학이란 하루가 다르게 변화?발전하고 있으며, 어제의 과학적 진실이 오늘 새로운 이론으로 뒤집어지는 일 또한 비일비재하다. 때문에 지난 시대의 과학이란 구시대의 유물일 뿐이며, 지금 이 순간에도 끊임없이 진화를 거듭하고 있는 과학의 발전을 따라가기도 버거운 현실 속에서 과거의 과학서를 읽는다는 것은 시간 낭비라고 생각할 수도 있다. 하지만 과거의 과학이 없이는 오늘날의 과학은 존재조차 할 수 없으며, 바로 그런 과정이 오늘날 과학 기술을 만든 밑거름이 되었음은 재론의 여지없이 분명한 사실이다. 그리고 그보다 더욱 중요한 것은 현재에 만족하지 않는 새로움에 대한 갈망, 미지의 세계에 대한 끊임없는 도전, 권위에 굴하지 않는 치열한 반론 등 20세기를 찬란한 과학의 세기로 만든 가장 혁신적인 과학정신이 그 안에 숨어있다는 사실이다.
그런 의미에서 지난 한 세기 동안 과학이 지나온 발자취를 살펴본다는 것은 곧 인류의 가장 위대한 과학정신을 만나는 일이며 오늘날 우리가 누리고 있는 현재 재조명하는 과정인 동시에 앞으로 다가올 미래의 모습을 누구보다 먼저 예측하는 일이기도 하다. 과연 지난 세기 동안 과학은 어떻게 인간의 문명을 이끌어왔으며, 미래의 과학은 과연 인류를 어떤 방향으로 이끌고 나갈 것인가? <모던 & 클래식 : Modern & Classic>은 그에 대한 해답을 독자들과 함께 찾아나가고자 한다.
– 온고지신의 과학정신으로 미래와 만난다! 탄탄하고 섬세한 번역과 풍부하고 해설이 깊이를 더하는 고품격 과학교양서의 탄생!
이런 의도를 가지고 기획된 이 시리즈는 생명과학에서 나노기술, 물리학, 생물학까지 과학의 전 분야를 아우르며 21세기를 살고 있는 독자들에게 과학의 의미와 중요성을 환기시키고 미래를 준비할 수 있는 시각을 키울 수 있도록 했다. 이를 위해 편집과정에서도 전문가 및 검증된 전문번역가를 중심으로 구성된 탄탄한 번역가들이 용어 하나하나까지 세심한 검증을 거쳐 원문을 충실하게 번역해냈을 뿐 아니라 권위 있는 전문가들의 깊이 있는 해제를 덧붙여 각 권이 가진 현재적 의미를 짚어줌으로써 도서에 대한 이해를 도울 수 있도록 했다.
그 첫걸음이 되는 책이 이번에 출간되는 《냉동 인간》, 《상대성이란 무엇인가》, 《마이크로코스모스》이다. 《냉동 인간》은 인체 냉동 보존술 (cryonics)의 이론적 배경을 제시한 최초의 저서로 50년 전 이미 컴퓨터 공학, 신경과학, 생명공학을 발전 속에 인간이 불멸하는 세상이 올 것을 예측한 책이다. 《상대성이란 무엇인가》는 국내 최초로 소개되는 아인슈타인의 저서이자 그가 프린스턴대학에서 상대성이론에 대해 직접 강의한 내용을 엮은 저서이며, 린 마굴리스의 《마이크로코스모스》는 미생물에서 시작하는 지구 생명의 역사를 생생하게 기록한 생물학의 역작이다. 이후에도 에릭 드렉슬러의 《창조의 엔진》, 한스 모라벡의 《마음의 아이들》 등 출간을 준비하고 있는 <모던 & 클래식 : Modern & Classic>은 이 시대를 대표하는 과학 교양서로 자리매김할 수 있을 것이다.
진정한 과학의 발전이란 단순한 기술의 개발이 아니라 새로운 것에 끊임없이 도전하고 미지의 세계를 개척하는 위대한 과학정신에 있다. 그리고 이 시리즈는 많은 독자들이 오늘날 현대 문명을 만들었으며, 앞으로 인류의 미래를 개척해나갈 진정한 과학정신과 만날 수 있는 계기가 될 것이다.
크리스천라이프 편집부