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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

★ 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!