나의 시간은 너의 시간과 같지 않다

머리말: 과학으로 세상을 이해한다는 것 7
들어가는 말: 특수상대론의 특별함 17

Ⅰ. 특수상대론을 만나기 위한 짧은 준비
1강. 바람맞은 약속, 그리고 시간과 공간 25
2강. 일상에서 속도 더하기: 1차원 31
3강. 일상에서 속도 더하기: 2차원 37
[토론] 달리는 차에서 밖으로 던진 쓰레기의 행방 44/ 열린 공간과 닫힌 공간은 다르다? 46

Ⅱ. 빛의 속도와 관성계
4강. 빛의 속도, 그 심오함에 관하여 51
5강. 상식적 시간과 공간의 붕괴 60
6강. 누가 정지해 있고 누가 움직이는가 68
7강. 관성계와 특수상대론의 두 가지 가정 77
[토론] 빛의 속도는 왜 특별한가 86/ 일반상대론에서도 빛의 속도는 항상 c인가 87/ 상대론적 속도의 덧셈 88

Ⅲ. 시간
8강. 너의 시간과 나의 시간은 다르다 93
9강. 광속 불변이면 절대적 동시는 없다 101
10강. 시계와 자, 그리고 좌표계 109
11강. 빛으로 시간을 재는 법 117
12강. 시간 팽창, 그 필연적 이유 124
13강. 시간 팽창 공식 130
14강. 움직이면 진짜 시간이 느리게 흐른다 136
15강. 시간은 얼마나 느려질 수 있는가 143
16강. 시간 팽창 효과의 검증: 뮤온 붕괴 150
17강. 서쪽으로 간 비행기의 시간이 빨라진 까닭은 156
18강. 지구 자전 및 중력과 시간의 흐름 161
19강. GPS의 원리와 광속 불변 168
20강. GPS와 시간 팽창 176
[토론] 빛시계의 길이 변화 183/ 빛시계를 눕혀서 사용할 수는 없는가 183/ 사고 실험과 물리적 통찰 184

Ⅳ. 시간 여행
21강. 쌍둥이 역설: 서기 3000년의 어느 날 189
22강. 미래로 시간 여행을 하는 방법 197
23강. 시간 여행의 실제 202
24강. 과거로의 시간 여행은 가능한가 208
25강. 시간 여행의 물리학 215
[토론] 쌍둥이 역설 비틀어보기 222/ 공간이 무한히 긴 직선이 아닐 때의 쌍둥이 역설 223/ 과거로의 시간 여행이 불가능하다는 결론은 얼마나 믿을 수 있는가 224

Ⅴ. 시공간
26강. 움직이면 길이가 줄어든다 229
27강. 특수상대론적 ‘오징어 게임’ 235
28강. 특수상대론의 종합 효과 242
29강. [퀴즈] 두 기차역과 기차의 특수상대론 250
30강. [퀴즈의 답] 두 기차역과 기차의 특수상대론 257
31강. 시간과 공간에서 4차원 시공간으로 265
32강. 시공간 그림을 그리자 272
33강. 빛의 세계선과 시공간 그림 279
34강. 시공간 그림 그리는 법 287
35강. 시공간, 물리학자처럼 이해하기 294
36강. 과거, 현재, 미래, 그리고 ‘딴곳’ 303
37강. 초광속이면 타임머신이 되는 이유 312
[토론] 시공간 그림과 로런츠 변환 320/ 두 기차역과 시계 문제를 시공간 그림으로 그려 보기 321

Ⅵ. E=mc²
38강. 운동량 보존법칙 327
39강. 새로운 운동량을 찾아서 338
40강. 상대론적 운동량 346
41강. 정지질량의 합은 보존되지 않는다 351
42강. 왜 E=mc²인가 356
43강. E=mc²의 의미 363
44강. 질량·에너지 동등성 370
45강. E=mc²과 핵폭탄 379
46강. E=mc²과 반물질 390
47강. 특수상대론을 넘어 399
[토론] 보존법칙은 늘 성립할까?_뇌터의 정리 404/ 빛의 에너지와 운동량, 그리고 양자역학 405/ 특수상대론의 응용 407

맺음말: 놀이동산에서 나오며 412

〔부록〕 로런츠 변환 유도 415/ 상대론적 속도의 덧셈 공식 유도 418/ 반물질의 존재 419

상대론은 시간과 공간의 이야기입니다. 이 이론은 우리가 지금까지 살아오면서 단 한 번도 의심하지 않았던 정든 시간과 공간의 모습이 사실은 허상이라고 설명합니다.

우리는 일상에서 어떤 특별한 의미가 있는 일을 ‘사건’이라고 부르지만, 그런 의미는 사람이 부여한 것일 뿐 자연은 아무런 구분을 하지 않습니다. 물리학적으로는 특정 순간에 특정 위치에서 일어나는 모든 것이 다 사건입니다. 크리스마스에 지영의 동네에 눈이 오는 것만 사건이 아니라 기훈의 시계가 정오를 나타내는 것도 특정 순간에 특정 위치에서 일어나는 훌륭한 사건이죠. 숨 쉬는 것도 사건이고 눈 한 번 깜박이는 것도 사건입니다.

‘빛의 속도는 누구에게나 어떤 상황에서도 변하지 않고 일정하다.’ 이것을 광속 불변의 원리라고 합니다. 이때 그 일정한 값이 초속 30만 킬로미터 근처인 것이고요. 여기까지는 그냥 그러려니 하면 될 것 같은데, 도대체 왜 이게 경천동지할 얘기일까요? 이 사실의 진정한 의미를 가슴 깊이 깨달았느냐 아니냐에 따라 사람은 특수상대론을 이해한 사람과 그렇지 못한 사람의 두 종류로 나뉩니다. 이해한 사람은 다시는 무지몽매했던 과거로 돌아갈 수 없습니다.