상대성이론의 결정적 순간들

들어가며. 004

I 상대성이론의 실마리

1장 뉴턴 vs 아인슈타인 014
“뉴턴이여, 나를 용서하시길!” | 뉴턴의 ‘기적의 해’ 신화

2장 원격작용과 마당이론 032
뉴턴 역학의 힘과 물질 | 질량과 무게

3장 공간이란 무엇일까? 059
뉴턴과 라이프니츠의 공간 논쟁
아인슈타인과 가우스와 비유클리드 기하학

II 기적의 해와 시공간

4장 아인슈타인의 기적의 해 1905년 082
아인슈타인의 학창시절 | 아인슈타인의 박사학위논문

5장 1908년, 절대세계의 가설 105
민코프스키의 「공간과 시간」 | 세계선과 지속성 논쟁

6장 운동질량과 우주선 사고실험.122
질량이 정말 속도에 따라 달라질까? | 드원 ― 베란 ― 벨 우주선 사고실험

III 일반상대성이론의 탄생

7장 베른에서 베를린까지 146
“생애에서 가장 운 좋은 생각” | 아인슈타인과 힐베르트의 표절 논쟁

8장 도대체 일반상대성이론이 무엇일까? 157
일반상대성이론의 기초 | 상대성원리, 동등성원리, 중력장 방정식
일반상대성이론이 탄생하기까지

9장 전쟁의 포성 속에서 우주의 비밀에 접근하다 188
슈바르츠실트의 풀이 | 일반상대성이론과 우주론

IV 가장 아름답고 완벽한 이론

10장 일반상대성이론 입증되다 208
1919년의 개기일식 | 우주론을 바꾼 역사 뒤편의 영웅들

11장 일제강점기 한반도의 스타, ‘아박사’ 또는 ‘아인씨’ 235
빛에도 무게가 있다!! | 동아시아에 온 아인슈타인
“뉴톤에서 아인스타인까지”

V 상대성이론의 해석

12장 상대성이론을 어떻게 해석해야 할까 270
상대성이론의 존재론 | 중력장 방정식의 해석과 상대성이론의 철학적 측면
일반상대성이론과 다양체 실재론
현대 물리학에서 에테르는 자취를 감추었을까?

13장 상대성이론을 넘어서 297
상대성이론은 상대주의적인가? | 베르너 하이젠베르크의 1937년
하이젠베르크와 그레테 헤르만의 대화 | 물리학 밖의 일반상대성이론

14장 모든 것의 이론? 325

주 334
참고문헌 339
찾아보기 342

뉴턴에게 결정적인 KO 펀치를 날린 것은 그로부터 10년 뒤의 일이다. 뉴턴의 가장 중요한 공로는 보편중력의 법칙을 세운 것이다. 모든 물체 사이에는 거리의 제곱에 반비례하는 힘이 작용한다는 ‘만유인력의 법칙’을 의심하는 것은 곧 물리학을 의심하는 것처럼 여겨져 왔다. 그러나 물체가 직접 만나거나 부딪치지도 않으면서 서로 힘을 미친다는 관념은 뉴턴 당시에도 쉽게 받아들여지지 않았다. 이 ‘원격작용의 난제’를 해결한 것이 바로 아인슈타인이다.
아인슈타인에게 보편중력은 물체들이 멀리 떨어진 채 서로 신비한 힘을 미치는 것이 아니었다. 아인슈타인이 새로 제안한 중력의 개념은 하나의 물체가 그 주변에 만들어내는 중력마당과 그 중력마당이 다른 물체에 영향을 미치는 것이었다.

흔히 ‘기적의 해’라고 불리는 1905년에 아인슈타인은 획기적인 논문 다섯 편을 쓰는 기염을 토했지만, 그 자신도 특수상대성이론이 중력의 문제를 해결하지 못하는 불완전하고 어정쩡한 이론임을 잘 알았다. 1911년 모교 취리히 연방공과대학에서 교편을 잡게 된 아인슈타인은 어떻게 중력을 이 이론에 포함시킬 수 있을지 감을 전혀 잡지 못하고 있었다. 그가 나중에 ‘생애에서 가장 운 좋은 생각’이라고 회고한 1907년의 사고실험이 거의 전부였다. 이 사고실험에 따르면 지붕에서 떨어지는 사람에게서는 중력을 검출할 수 없다. 그렇다면 중력에 의한 효과와 관찰자가 속해 있는 좌표계의 가속에 의한 효과는 구별할 수 없고 사실상 동등하다. 효과를 구별할 수 없다면 이 둘은 같은 것이라고 볼 수 있다. 이것이 소위 등가원리이다. 그러나 이렇게 ‘운 좋은 아이디어’를 얻더라도 그로부터 의미 있는 실제 물리이론을 발전시키는 과정은 매우 험난하고 힘겹다.

하지만 이렇게 시간을 네 번째 차원으로 받아들이고 나면, 놀랍게도 변화라는 것이 있을 수 없게 된다. 3차원 공간과 1차원 시간을 구분하면 이곳에 있던 물체가 저곳으로 옮겨가고 그 동안 유한한 시간이 흐르는 ‘운동’이라는 것이 일상적인 일이 된다. 그러나 4차원 시공간에서는 그 모든 운동이 그냥 세계선이라는 고정된 선과 정확히 같다. 4차원 시공간을 볼 수 있는 사람의 관점에서는 4차원 세계란 많은 세계선들이 얼어붙어 있는 모습이다.