E=mc²이야기

서문

1장 절대공간은 없다
빛의 속도를 넘어서는 시간여행은 가능할까
아리스토텔레스의 오류
관찰할 수 있어야 과학적으로 유용하다

2장 빛은 항상 같은 속도로 움직인다
나침반은 어떻게 전류를 감지할까
물리적 대상의 행동은 수학법칙으로 예측할 수 있다
바람 한 점 없는데 왜 바람이 느껴질까

3장 특수상대성이론, 새로운 세상을 열다
맥스웰 방정식, E=mc2에 영감을 주다
움직이는 물체의 시간이 더 천천히 움직인다
뮤온, 특수상대성이론을 증명하다

4장 시간과 공간을 하나로 묶다
원자 구성입자들의 수학적 무도회
시공간은 넘을 수 없는 장애물인가
오컴의 면도날
시공간에서의 거리 구하기
두 사건 사이의 변하지 않는 거리

5. 왜 E=mc2일까
그림자의 실체를 발견하다
에너지는 항상 일정하다
3차원 공간에서의 운동량을 대신할 불변량을 찾아라
물체에 잠재된 에너지를 꺼낼 수 있다면

6장 질량 속에서 에너지를 꺼내다
잠재에너지를 더 많이 가질수록 무거운 물체다
화학반응으로 생성되는 에너지
최대질량의 한계치

7. 질량의 기원을 찾아서
모든 것을 통합하는 마스터 방정식
단순한 대칭성이 심오한 결과를 창출해내다
마스터 방정식에 새로운 영역이 열리다
표준모형이론 검증
질량의 기원

8. 아인슈타인, 상상력의 위대함을 입증하다
중력은 시공간이 휘어져 있다는 신호
쌍펄서가 만들어내는 엄청난 에너지
가장 단순한 생각이 가장 위대한 결과를 낳다

당신이 비행기에서 책을 읽고 있다고 상상해보라. 시계가 12시를 가리킬 때 읽고 있던 책을 내려놓고 자리에서 일어난 뒤 통로를 지나 10칸 앞에 있는 친구에게 가서 말을 걸었다. 12시 15분에 당신은 자신의 자리에 돌아와 다시 책을 집어 들었다. 이때 대부분의 사람들이 같은 자리에 되돌아왔다고 생각할 것이다. 당신의 자리에 되돌아오기 위해 같은 10칸 거리를 지나 왔으며 당신의 자리에 그대로 놓아둔 책이 있을 것이다. 이번에는 ‘같은 자리(공간)’라는 개념에 대해 좀 더 생각해보자. 예를 들어 당신이 오늘 친구와 바에서 한잔하기로 약속했다면 두 사람 다 바에 도착할 때까지 자리가 변하지 않을 것이다. 적어도 두 사람이 있었던 그날 밤까지는 그 자리가 변함이 없던 게 분명하다. 사실 자리(공간)라는 단어가 무엇을 의미하는지는 직감적으로 명백하게 떠올릴 수 있으므로 독자들은 우리가 너무 사소한 것에 집착하는 게 아니냐는 생각을 할 수도 있다. 하지만 명백한 개념에 대해 깊이 생각하고 고민하다 보면 아리스토텔레스, 갈릴레이, 뉴턴, 아인슈타인의 발자취를 따라갈 수 있을 것이다. 그렇다면 ‘같은 자리(공간)’라는 개념을 정확하게 정의하는 방법은 무엇일까?

훌륭한 물리학자인 리처드 파인만(Richard Phillips Feynman)은 “당신의 이론이 얼마나 훌륭한지, 당신이 얼마나 똑똑한지, 당신의 이름이 무엇인지에 관계없이 실험과 일치하지 않는다면 그것은 잘못된 것이다”라고 말했다. 이 말은 과학에서 아주 중요한 역할을 한다. 다시 말해 만약 어떠한 개념이 실험으로 확인할 수 없는 것이라면 그것이 옳은지 아닌지 판단할 길이 없으며, 옳고 그른 것이 중요한 게 아니라는 의미다. 물론 증명할 수 없을지라도 어떠한 생각이 사실이라고 가정할 수 있지만, 그렇게 함으로써 쓸데없는 편견에 빠져 앞으로의 진전을 막을 수 있는 위험요소가 있다.

우리가 지구를 떠나 은하계의 가장 먼 곳까지 가는 데 빛의 속도로 10만 년 걸릴 것으로 예상되기 때문에 인류가 도달할 수 있는 최종 목적지는 은하계 내의 지구별 근처의 (천문학적 크기에서의)가까운 일부 몇몇 별밖에 없다. 하지만 아인슈타인이 우리를 도와줄 수 있다. 만약 거의 빛의 속도에 가까운 속도로 우주로 날아갈 수 있는 우주선이 있다면 별까지의 거리가 줄어들 것이고 빛의 속도에 근접할수록 그 거리는 더 줄어들 것이다. 만약 빛의 속도의 99.99999999% 빠르기의 우주선이 있다면 우리 은하에서 300만 광년 정도 떨어진 안드로메다 은하까지 단 50년이면 갈 수 있다.