▷ 책소개

상상하고 생각하고 음미하며 느리게 읽는 과학, ‘김찬주 교수의 고독한 물리학’ 첫 권의 주제는 특수상대성이론이다. 아인슈타인의 특수상대론은 난해하다고 알려져 있지만, 실은 과학을 잘 모르는 사람도 대학교 전공수업에서 배우는 것과 똑같은 수준으로 배우고 생각할 수 있는 몇 안 되는 이론이다. 단지, 그동안 믿어 온 익숙한 시간과 공간의 개념을 뒤집기 때문에 어렵게 느껴질 뿐이다.
강의 잘하기로 정평 난 김찬주 교수는 현대 과학의 핵심에 자리한 특수상대론을 아무런 사전 지식 없이도 이해할 수 있도록 쉽게, 동시에 어떤 논리적 비약도 없이 충실히 설명한다. 1+2=3처럼 단순하고 익숙한 일상의 경험에서 출발해서 빛시계와 질주하는 기차와 상대론적 오징어 게임이 등장하는 다채로운 사고실험 속으로 우리를 데려간다. “왜 빛의 속도만 그렇게 특별한 “지붕 없는 무빙워크를 탔을 때와 버스를 탔을 때 실험 결과는 같을까 다를까”, “움직인다는 건 대체 뭘까?” 머릿속에 맴도는 막연한 의구심과 근본적인 물음까지 잡아채서 따져보고 설명하니 납득이 간다. ‘물알못’, ‘수알못’이라도 차근차근 따라가면 역사적인 방정식 E=mc²을 직접 유도하고, 식에 담긴 의미를 읽어내는 벅찬 감격을 맛볼 수 있다. 공간축과 시간축으로 이루어진 시공간 좌표계 위에 나와 너의 세계선을 그리며 서로의 과거와 미래가 다를 수 있다는 사실도 눈으로 확인한다.
특수상대론을 알아가는 이 모든 흥미로운 여정은 과학자의 생각법을 따라 직접 ‘과학하기’를 체험하는 과정이기도 하다. 그렇게 상상하고 생각하고 곱씹고 음미하며 느리게 읽다 보면 불현듯, 지금껏 믿어왔던 시간과 공간의 개념이 뒤집히고 4차원 시공간의 새로운 지평이 열리는 놀라운 순간을 맞이하게 된다. 달리의 그림과 에셔의 판화가 다르게 보이고, 영화 〈인터스텔라〉를 연상시키는 브라이언 메이의 노래 〈‘39〉에 새삼 울컥한다. “앞으로 너와 세계선을 영원히 공유하고 싶어.” 같은 오글거리는 ‘이과 멘트’를 날려 보고 싶은 부작용도 있긴 하다.

▷ 목차

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

▷ 저자소개

김찬주

이화여자대학교 물리학과 교수. 서울대학교 물리학과에서 입자물리학 이론 전공으로 박사 학위를 받았다. 양자장론의 여러 주제를 연구하고 있으며, 2006년 한국물리학회의 ‘백천물리학상’을 수상했다. 2012년에는 그의 강의가 SBS, 한국대학교육협의회, 한국교육개발원이 10년간 선정하는 ‘대학 100대 좋은 강의’의 첫 다섯 강의 중 하나로 꼽혔다. 2015년부터 K-MOOC에서 ‘현대물리학과 인간사고의 변혁’이라는 교양 물리학 과목을 강의하고 있으며, 현재 ‘네이버 프리미엄콘텐츠’에 ‘물리학으로 세상을 보는 경이로움’을 연재 중이다. 저서로는 『어느 물리학자의 세상 보기』가 있다.