도서 소개

<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.

  출판사 리뷰

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!

저는 너무나 놀라운 것들을 발견했습니다. 저는 무(無)에서 낯선 새로운 우주를 창조했습니다. -보여이가 아버지에게 보낸 편지

훗날 아인슈타인의 아내가 된 밀레바 마리치도 그해 아인슈타인과 같은 학과에 들어갔다. 과에서 유일한 여성이었던 그는 아인슈타인과 곧 가까운 친구가 되었다. 그 후 몇 년 동안 두 사람의 우정은 사랑으로 발전했다.

1905년은 아인슈타인에게 있어 기적의 해라고 불린다. 그해에 그는 광전효과, 브라운 운동, 특수상대성이론, 질량과 에너지의 등가성에 관한 논문을 발표했다. 이들 논문 모두 학계의 큰 주목을 받았다.

  작가 소개

지은이 : 정완상
과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 〈과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈〉 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 〈과학공화국 법정 시리즈〉 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 〈개념 잡는 수학툰 시리즈〉를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.

  목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
우주를 지배하는 방정식을 만들다 _펜로즈 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 리만 기하학의 탄생
기하학의 역사 _파피루스의 기록과 유클리드 기하학
비유클리드 기하학 _평행선 가정의 부정으로 탄생한 새로운 기하학
가우스와 리만의 등장 _수학의 왕과 그 제자
곡률 개념의 탄생 _휘어진 정도
구좌표계 _3차원 공간을 나타내는 방법

두 번째 만남 | 4차원 시공간
아인슈타인의 학창 시절 _동반자 밀레바 마리치
특수상대성이론 _관찰자의 시간이 다르게 흐른다
4차원 시공간 _시간과 공간을 함께 묘사하는 새로운 기하학
아인슈타인의 새로운 규칙 _합의 기호 생략

세 번째 만남 | 아인슈타인의 등가원리
질량에 관하여 _관성질량과 중력질량
낙하 실험의 진실 _데소토와 스테빈
등가원리 _가속도와 중력장의 세기
중력 만들기 _무중력 상태와 새로운 중력장
1908~1915년의 아인슈타인 _강의와 연구 경력
등가원리와 빛의 휘어짐 _태양계에 적용하다

네 번째 만남 | 아인슈타인 방정식
마르셀 그로스만 _일반상대성이론 탄생의 조력자
일반상대성이론의 등장 _우주를 지배하는 완벽한 방정식
휘어지는 빛 관측 _일반상대성이론의 위대함을 알리다
중력에 의한 시간 지연 _중력이 큰 곳에서 시간이 느리게 흐른다
수성의 근일점 이동 _43초의 비밀을 풀다
중력렌즈 _은하가 커 보이는 현상
아인슈타인의 두 번째 사랑 _아내이자 비서였던 엘사
아인슈타인의 미국 생활 _나치의 박해를 피해서
힐베르트 _무한대와 무한 호텔

다섯 번째 만남 | 아인슈타인의 논문 속으로
뉴턴 역학에서의 가속하는 관찰자 _버스에 탄 사람이 보는 것은?
휘어진 시공간에서의 계량 _시공간의 휘어짐을 묘사하다
피어바인과 크리스토펠 기호 _새로운 기호의 도입
가속하는 관찰자의 운동방정식 _겉보기 가속도
공변미분 _새로운 미분의 정의
리만 텐서 _곡률에 비례하다
아인슈타인 방정식 _우주의 휘어진 정도를 고려하다

여섯 번째 만남 | 블랙홀
슈바르츠실트의 블랙홀 _아인슈타인 방정식의 일반해
뉴턴 역학에서의 블랙홀 _사건의 지평선에 숨겨진 비밀
블랙홀 물리학의 영웅들 _네 명의 물리학자
블랙홀 물리학 _특이점과 증발하는 블랙홀
웜홀 _시공간의 두 지점을 잇는 터널

만남에 덧붙여
Outline of a Generalized Theory of Relativity and of a Theory of Gravitation _아인슈타인-그로스만 논문 영문본
The Foundation of the General Theory of Relativity _아인슈타인 논문 영문본
On the Gravitational Field of a Mass Point according to Einstein’s Theory _슈바르츠실트 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

  회원리뷰