우주의 모든 것을 설명하는 방정식이 탄생하다

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 11번째. 시리즈 첫 권의 주제인 특수상대성이론에 이어 이 책에서는 아인슈타인의 일반상대성이론을 소개한다.
여기서는 일반상대성이론에 대한 세 가지 논문을 다루었다. 1913년 아인슈타인과 그로스만의 논문은 일반상대성이론에 관한 첫 시도였다. 하지만 이 과정에서 문제점을 느낀 아인슈타인은 1916년에 단독 논문으로 이론을 완성하고 아인슈타인 방정식을 발표한다. 같은 해에 슈바르츠실트는 아인슈타인 방정식을 최초로 풀어 블랙홀의 존재를 예언한다. 이들 논문을 청소년과 일반 독자를 위해 조금 쉽게 기술하였다.
서두는 펜로즈 박사와의 가상 인터뷰로 시작하여 책의 흐름을 개괄적으로 파악하도록 했다.
아인슈타인의 일반상대성이론을 이해하려면 먼저 리만 기하학을 알아야 한다. 그래서 이 책에서는 기하학의 역사부터 언급했다. 이어서 4차원 시공간 기하와 아인슈타인의 합 기호, 일반상대성이론의 기본 아이디어인 아인슈타인의 등가원리를 설명했다. 4장에서는 수식을 배제한 채로, 5장에서는 아인슈타인의 논문을 따라가면서 수식과 함께 아인슈타인 방정식을 설명하여 독자의 기호에 맞추고자 했다. 6장에서는 블랙홀, 웜홀에 관한 이야기로 이 책을 마무리했다.
부록에는 중심 논문 3가지의 영문본과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 탐구와 이해를 도왔다.

[노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학] 전20권
1권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 특수상대성이론
2권 마리 퀴리(1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상) - 방사선과 원소
3권 플랑크(1918년 노벨 물리학상) - 양자혁명
4권 보어(1922년 노벨 물리학상) - 원자모형
5권 하이젠베르크(1932년 노벨 물리학상) - 불확정성원리
6권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 브라운 운동
7권 왓슨과 크릭(1962년 노벨 생리의학상) - DNA 구조
8권 디랙(1933년 노벨 물리학상) - 반입자
9권 찬드라세카르(1983년 노벨 물리학상) - 별의 물리학
10권 바딘/브래튼/쇼클리(1956년 노벨 물리학상) - 반도체 혁명
11권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 일반상대성이론
12권 유카와 히데키(1949년 노벨 물리학상) - 핵력(출간 예정)
13권 폴링(1954년 노벨 화학상, 1962년 노벨 평화상) - 화학결합(출간 예정)
14권 파인먼(1965년 노벨 물리학상) - 양자전기역학(출간 예정)
15권 피블스(2019년 노벨 물리학상) - 우주팽창(출간 예정)
16권 글라우버(2005년 노벨 물리학상) - 양자광학(출간 예정)
17권 홀데인(2016년 노벨 물리학상) - 양자물질(출간 예정)
18권 하셀만(2021년 노벨 물리학상) - 기후 물리(출간 예정)
19권 차일링거(2022년 노벨 물리학상) - 양자정보(출간 예정)
20권 겔만(1969년 노벨 물리학상) - 쿼크모형(출간 예정)

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상 논문 영문본 수록

최근 10년간 3번이나 수여된 노벨 물리학상 주제 ‘일반상대성이론’
노벨상 수상자들의 오리지널 논문 읽기로 과학자처럼 따라 하기

과학 학습에는 ‘과학자처럼 따라 하기’와 같은 학습 방법이 있다. 과학 수업에서 흔히 적용하는 탐구 활동이나 R&E가 그 예이다. 요즘 새롭게 소개되는 과학자 따라 하기 방법 중 하나가 노벨상 수상자들의 오리지널 논문 읽기이다.
학생들에게 상대성이론과 같은 어려운 이론의 원문을 이해하도록 하는 것이 쉬운 일은 아니다. 다행히 현재 고등학교 교육과정에 상대성이론이 도입되어, 기본 원리와 현상은 이미 학교에서 학습하고 있다. 너무 전문적인 지식을 제외하고는 학생들에게 비교적 친숙하다.
특수상대성이론은 아인슈타인이 1905년에 발표했다. 아인슈타인은 시공간 개념을 처음 도입했고 움직이는 관찰자와 정지해 있는 관찰자의 시간이 다르게 흘러야 한다는 것을 알아냈다. 특수상대성이론은 움직이는 관찰자가 등속도로 움직이는, 특수한 경우에만 성립한다. 그래서 아인슈타인은 이 이론을 가속도가 존재하는 경우에도 성립할 수 있게 확장했다. 가장 일반적인 상대성이론이 되기 때문에 이 이론을 일반상대성이론이라고 부른다.
일반상대성이론은 우주, 천체 등의 문제를 해결하는 이론이다. 지난 10년 이내에 일반상대성이론과 관련하여 세 번에 걸쳐 노벨상이 수여되었다. 2020년, 2019년, 2017년에 공동 수상이 이루어졌다. 최근 많은 업적이 쌓이고 이로 인해 파생하는 효과가 크기 때문일 것이다.
이러한 시대적 맥락과 과학 학습 방법이라는 배경에서 이 책은 아인슈타인의 일반상대성이론의 기본 개념을 논문 원문 외에도 역사와 관련 학자들의 일화를 함께 소개한다. 여러 사진 자료들도 도움이 된다. 이는 독자로 하여금 선입견으로 겁먹거나 책을 읽는 데 지루하지 않게 한다. 어쩔 수 없이 도입하는 수식에 친숙하지 않다면 어려울 수 있으나, 고등학교 수준의 수학을 이해하는 독자라면 읽을 수 있도록 친절하게 설명했다.
이 책을 통해 과학자처럼 사고하고 과학 이론에 푹 빠져 보는 값진 경험을 하길 기대한다.

휘어진 공간에서 최단 거리는 직선이 아니라 곡선!
일반상대성이론 완성에 핵심 역할을 한 새로운 기하학

삼각형의 내각의 합은 180도이다. 이는 학교에서 기본으로 배우는 삼각형의 성질이다. 그러나 말안장 위에 삼각형을 그리면? 혹은 축구공 위에 삼각형을 그리면 어떻게 될까? 삼각형의 내각의 합은 180도보다 작거나 커질 것이다.
평면에서 직선 밖의 한 점을 지나면서 그 직선과 평행한 직선은 하나뿐이다. 유클리드는 증명할 수 없는 이 평행선 가정으로 무수한 정리를 증명했다. 이것이 우리가 당연하다고 생각해온 유클리드 기하학이다.
이후 많은 수학자가 평행선 가정을 증명하려고 했지만 실패했다. 그러나 몇몇 학자들이 평행선 가정을 부정하며 새로운 기하학을 만들었다. 보여이, 로바쳅스키 등의 연구로 탄생한 비유클리드 기하학이다.
가우스와 그의 제자 리만은 비유클리드 기하학에서의 곡률을 연구했다. 리만이 완성한 리만 기하학은 훗날 특수상대성이론의 일반화, 즉 일반상대성이론이 완성되는 데 큰 역할을 한다.
아인슈타인의 친한 친구였던 수학자 그로스만은 리만 기하학의 권위자였다. 아인슈타인에게 리만 기하학을 소개한 사람이 바로 그였는데, 이는 아인슈타인의 일반상대성이론 발전에 결정적인 역할을 했다. 두 사람의 협력은 1913년에 출판된 획기적인 논문으로 이어졌다.
이 책은 아인슈타인이 동료와 어떻게 의사소통하면서 문제를 해결하고 이론을 정립하였는지 알아가는 좋은 기회가 될 것이다.

현대물리학에서 가장 매력적이면서도 미지의 주제인 ‘블랙홀’
블랙홀을 예언한 일반상대성이론을 파헤쳐 보자!

1783년 영국의 미셸은 빛조차 탈출할 수 없는 중력이 매우 큰 별의 개념을 제안했다. 이를 암흑별이라 칭했는데 이것이 바로 블랙홀에 관한 첫 연구였다. 1967년 미국 프린스턴 대학 물리학과 교수 휠러는 NASA 고더드 우주 연구소의 연설 중에 ‘블랙홀’ 용어를 처음으로 언급했다.
영국의 로저 펜로즈는 일반상대성이론으로 블랙홀의 이론적 가능성을 입증하여 2020년 노벨 물리학상을 수상했다. 2017년 노벨 물리학상을 수상한 미국의 물리학자 킵 손은 블랙홀과 시간여행을 소재로 2014년에 개봉한 영화 〈인터스텔라〉 제작에 참여했다.
〈시간의 역사〉로 유명한 영국 물리학자 스티븐 호킹은 특이점과 블랙홀 연구에 관한 업적을 남겼다. 슈바르츠실트가 발견한 아인슈타인 방정식의 해는 블랙홀 물리학을 탄생시켰다.
현대물리학에서 가장 매력적이자 미지의 연구 주제인 블랙홀! 인류가 블랙홀의 존재를 알게 된 건 바로 아인슈타인의 일반상대성이론 덕분이다. 아인슈타인의 일반상대성이론 논문과 함께 더 넓은 우주로 여행을 시작하자!