상대성이론은 처음이지?

작가의 말 4

1장 빠르게 달리고 있는 지구와 상대성 원리
『천체 회전에 관하여』의 이상한 서문 12
우주 중심에 정지해 있는 지구 17 빠르게 달리고 있는 지구 19
『두 우주 체계에 대한 대화』 22 상대성 원리 25
상대성이론 세상 산책: 차멀미는 왜 나는 것일까? 32

2장 중력법칙과 운동법칙
『자연철학의 수학적 원리』 36
관성의 법칙 39 가속도의 법칙 43 작용과 반작용 45
빛보다 더 빠르게 달리는 것도 가능하다 46
중력법칙 48
무거운 물체와 가벼운 물체는 어느 것이 더 빨리 떨어질까? 50
운동량과 에너지 52
물리량과 상대속력 53
상대성이론 세상 산책: 위대한 발명가이기도 했던 뉴턴 57

3장 빛과 전자기파
맥스웰과 전자기파 62
17세기의 빛에 대한 연구 66 19세기의 빛에 대한 연구 71
전자기파의 발견 74 마이컬슨과 몰리의 실험 76 물리학에 나타난 불협화음 81
상대성이론 세상 산책: 아인슈타인 이전에 상대성이론에 다가갔던 사람들 84

4장 아인슈타인의 생애
아인슈타인의 기적의 해 88
고등학교를 중퇴한 아인슈타인 92 아라우 고등학교 94
스위스 연방공과대학 96 아인슈타인의 기적의 해 이후 97
다시 독일로 돌아온 아인슈타인 100 통일장 이론 104
상대성이론 세상 산책: 나의 흔적을 남기지 마라 105

5장 특수상대성이론
누구의 측정값이 옳은 것일까? 108
상대성 원리와 광속 불변의 원리 111
로렌츠 변환식 115
로렌츠 변환식의 의미 119
상대성이론 세상 산책: 빛의 속력이 느린 세상에서는 어떤 일이 일어날까? 123

6장 시간지연과 길이의 수축
어떤 폭발이 먼저 일어났는가? 126
속력 더하기 129 동시성과 시간지연 132 길이의 수축 137
상대성이론 세상 산책: 작은 차고에 큰 자동차가 들어갈 수 있을까? 140

7장 질량과 에너지
빛보다 빠른 속력으로 달려라 144
질량의 증가 147 질량과 에너지 152 E=mc2이 바꾸어 놓은 세상 156
상대성이론 세상 산책: 실라르드와 아인슈타인, 그리고 원자폭탄 159

8장 일반상대성이론
계속되고 있는 피사의 사탑 실험 164
등가원리 168 중력이 작용하는 경우의 관성계 171
중력에 의한 시간의 지연 173 쌍둥이 역설 176 휘어진 공간 177
일반상대성이론과 우주 181
상대성이론 세상 산책: 우리 생활 속의 상대성이론 184

9장 일반상대성이론의 증명
수성의 이상한 행동 188
일식 실험 192 중력에 의한 시간지연 실험 195
그래비티?B 위성의 측정 200
중력파의 관측 201
상대성이론 세상 산책: 웜홀을 통한 시간여행이 가능할까? 206

지구는 사과를 당기고 사과는 지구를 당기는데 지구가 사과로 떨어지지 않고 사과가 지구로 떨어지는 것은 무엇 때문일까? 사실은 사과가 지구로 떨어지는 것이 아니라 사과와 지구가 서로 가까워진다. 다만 사과보다 지구가 훨씬 질량이 크기 때문에 사과는 많이 움직이고, 지구는 아주 아주 아주 조금 움직이기 때문에 사과가 떨어지는 것처럼 보일 뿐이다.

빛에 대한 연구가 시작된 1600년대에는 빛의 정체에 대해서 여러 가지 다양한 학설이 제안되었다. 일부 과학자들은 빛이 눈 에 보이지 않는 액체와 비슷한 물질이라고 주장하기도 했으며, 일부에서는 빛이 아주 작은 입자의 흐름이라고 했고, 또 다른 사람들은 빛이 파동이라고 주장했다. 그러나 어느 학설도 빛과 관련된 모든 현상을 설명할 수 없었기 때문에 빛의 정체에 대한 논쟁은 오랫동안 결론을 내리지 못하고 있었다.

과학의 역사에는 두 번의 기적의 해가 있다. 한 번은 뉴턴이 고향인 울즈소프에서 운동법칙과 중력법칙, 그리고 미적분법을 생각해낸 1666년이고, 다른 하나는 아인슈타인이 과학의 역사를 바꾸어 놓은 세 편의 논문을 발표한 1905년이다. 이 해를 기적의 해라고 부르는 것은 보통 사람으로는 불가능하다고 생각되는 일을 뉴턴이나 아인슈타인이 짧은 기간 동안에 해냈기 때문이다.