아인슈타인은 빛의 속도, 즉 광속으로 여행할 때 우주가 어떻게 보일지 늘 궁금해 했다. 오랫동안 이 문제의 답을 찾아 헤맨 끝에 아인슈타인은 시간과 공간이 광속 때문에 고무줄처럼 늘었다줄었다 할 수 있다는 사실을 발견하게 된다. 세상 사람들이 생각하는 시간과 공간은 절대적인 것이었는데, 아인슈타인은 이 틀을 부수고 거기에 이상한 시간과 공간, 즉 지금은 상대론적 시간, 상대론적 공간이라고 하는 새로운 틀을 갖다 놓았다. 아인슈타인은 이 새로운 시간과 공간의 틀로 우주를 이해할 수 있는 이론체계를 완성했는데, 그것이 바로 ‘특수상대성이론’이다. 이 이론에 따르면 광속에 가까운 속도로 달려가면 시간이 천천히 흐르게 되고 또 운동방향의 길이도 줄어들게 된다. 시간과 공간은 절대 변하지 않는다는 것이 상식인데, 속도가 빨라질수록 시간과 공간의 길이가 변하면서 요동을 친다. 시간과 공간이 가만있지 않고 끊임없이 춤을 추는 이상한 나라로 들어갈 수 있는 비밀의 열쇠를 발견한 사람이 아인슈타인이다. 과연 아인슈타인은 어떻게 이 비밀의 열쇠를 찾았을까? 그런데

아인슈타인은 비밀의 문을 여는 것만으로는 만족할 수 없었다. 이상한 나라에서 벌어지는 시공간의 마술을 직접 경험해 보고 싶어 했다. 그것은 바로 시공간의 작동원리를 찾아내는 것이다. 어느 날 아인슈타인은 놀라운 사실을 발견하게 되는데, 그것은 ‘자유낙하 하면 무게가 사라진다. 즉, 무중력상태가 된다.’는 것이었다. 자유낙하 하는 물체는 중력이 끌어당기는 방향으로 가속되는데, 중력이 사라졌다? 이 얼마나 놀라운 발견인가. 이 사실로 아인슈타인이 발견한 또 다른 비밀은 중력이 다름 아닌 ‘시공간의 뒤틀림’ 때문에 느끼게 되는 가상의 힘이라는 것이다. 이렇게 아인슈타인은 시공간을 마음 대로 조절할 수 있는 또 다른 열쇠를 거머쥐게 되었다. 그 열쇠는 바로 ‘질량’이다. 질량과 시공간의 관계를 밝힌 이론이 그 유명한 ‘일반상대성이론’이다. 빛이 별 주위를 지날 때 휘어진 경로를 따라 진행한다던지 블랙홀로 떨어진 빛은 절대로 빠져나올 수 없다든지 또 블랙홀 근처에서는 시간이 거의 흐르지 않는다던지 하는 것은 모두 일반상대성이론이 만들어 낸 이야기들이다. 아인슈타인이 열어젖힌 이상한 나라는 바로 시공간의 마술이 펼쳐지는 그런 곳이다. 빛을 쫓아 여행을 한 최초의 과학자가 발견한 빛과 시공의 이야기! 아인슈타인과 함께 빛의 여정을 따라가며 이상한 나라의 시공간을 지배하는 ‘상대성이론’의 실체를 한 번 파헤쳐보자.

시간, 공간 그리고 기준틀

01 우주란? 3

02 시간과 공간의 무대 5

03 1초와 1미터 11

04 아리스토텔레스의 운동학 16

05 갈릴레오의 운동학과 관성 19

06 갈릴레오의 상대성원리 22

07 상대운동과 절대운동 27

08 뉴턴역학과 관성좌표계 33

09 절대시간과 절대공간 40

10 뉴턴의 양동이실험과 절대좌표계 42

11 에테르의 부활 44

12 에테르의 역할 46

13 에테르 찾기에 도전한 개척자, 마이켈슨과 몰리 49

14 에테르 흐름과 빛의 속도 52

15 마이켈슨-몰리 실험의 실체 56

16 두 빛의 시간차 59

17 에테르 유령의 실체 62

18 에테르의 추방 64

19 에테르의 추방을 아쉬워한 과학자 66

20 관성기준틀, 빛 그리고 상대속도 68

21 광속불변의 증거 72

22 갈릴레오 상대성원리의 확장, 로렌츠 변환 74

23 로렌츠와 갈릴레오 좌표변환, 그 속에 담긴 물리적 의미 77

24 아인슈타인의 고민과 해결방안 80

2 특수상대성이론

25 특수상대성이론의 등장 85

26 시간의 상대성, 달리는 우주선 속에서는 시간이 느려진다. 90

27 광속의 절반으로 달리면 시간이 얼마나 느려질까? 94

28 이상한 나라에 한 발짝 더, 사건의 동시성 96

29 동시성의 상대성 100

30 공간의 상대성, 달리는 우주선의 길이가 짧아진다. 104

31 광속의 절반으로 달리면 길이는 얼마나 수축될까? 108

32 절대 변하지 않는 빛의 상대속도, 아인슈타인의 속도합성 111

33 상대론적 시공간 연속체 116

34 충격과 운동량 117

35 질량이 속도에 따라 달라진다? 질량의 상대성 120

36 질량이 곧 에너지? 125

37 속도가 느려지면 다시 일상의 세계로 130

38 특수상대성이론의 응용, 상대론적 효과 132

3 눈으로 보는 상대론, 시공간도표

39 시간과 공간의 얽힘, 시공간의 탄생 149

40 시공간의 시각화, 민코프스키의 시공간도표 151

41 시공간도표와 세계선 153

42 빛의 세계선 155

43 거울에 반사되는 빛의 세계선 157

44 빛원뿔 160

45 눈으로 보는 동시성 162

46 운동하는 관측자의 시공간도표 165

47 한 사건에 대한 두 기준틀의 관점 168

48 시공간도표로 나타낸 동시성 170

49 시공간도표에서 빛의 진행 173

50 정지한 관측자가 본 시간지연효과 176

51 속도와 시간지연효과 180

52 시간지연효과와 쌍둥이역설 182

53 쌍둥이역설의 이해 185

54 시공간도표로 본 길이수축효과 189

55 쌍둥이역설과 길이수축효과 193

56 길이수축효과와 새로운 입자의 발견 195

57 시공간도표로 본 토끼와 거북의 경주, 하나 198

58 시공간도표로 본 토끼와 거북의 경주, 둘 201

59 시공간도표로 본 기차와 터널의 역설 203

4 일반상대성이론

60 특수상대성이론에서 일반상대성이론으로 209

61 일반상대성이론의 불씨, 아인슈타인의 위대한 발견 212

62 뉴턴의 중력법칙에 대한 아인슈타인의 고민 215

63 질량에 대한 아인슈타인의 고민 217

64 관성질량 219

65 중력질량 221

66 등가원리, 아인슈타인의 위대한 발견 223

67 등가원리의 증거, 빛의 휨 227

68 중력렌즈효과 230

69 중력이 시간의 흐름을 느리게 한다. 232

70 GPS와 시간지연효과 236

71 특수에서 일반으로의 상대성이론 확장 239

72 일반상대성이론의 두 기둥 242

73 갈릴레오 변환, 공변성의 예 244

74 상대성이론과 공변성 246

75 일반상대성이론의 완성, 장방정식 249

76 시공간의 기하학 260

77 태양 주위의 공간은 어떤 곡률을 가지고 있는가? 263

78 별에서 탈출하는 빛, 파장이 길어진다. 265

79 수성 근일점의 위치변화, 세차운동 269

80 일반상대성이론의 결정체, 블랙홀 272

81 블랙홀의 구조 276

82 아인슈타인의 예언, 중력파의 존재 279

83 광속에 가까운 속도로 달리면 우주는 어떻게 보일까? 281

84 광속에 가까운 속도로 달리면 별들의 색은 어떻게 보일까? 283

85 타임머신과 시간여행 285

86 시공간 터널을 통한 시간여행과 인과율 288

87 일반상대성이론과 우주의 미래 291

88 우주론, 또 다른 신화의 시작 296