세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 특수상대성이론 : 갈릴레이의 고전역학에서 아인슈타인의 특수상대성이론까지

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 시민 과학 시대 필독서
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 세계 최초로 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책
★ 일대일 친절한 과학 수업 ★ 오리지널 논문 영문본 수록

모두가 알지만, 누구도 모르는 상대성이론
일상에서 만나는 아인슈타인의 특수상대성이론 특강!

〈사례 1〉 당신은 지금 스마트폰에 새로운 앱을 설치했다. 앱 사용을 시작하려하자 이런 팝업이 뜬다. ‘ㅇㅇㅇ에서 현재 위치 정보를 사용하고자 합니다. 동의하시겠습니까?’
〈사례 2〉 주말을 맞이하여 가족들과 함께 근교로 나들이를 가기로 했다. 운전석에 탄 당신은 제일 먼저 차에 장착된, 혹은 스마트폰에 설치된 내비게이션을 실행한다. 목적지를 입력하면 추천 경로, 소요 시간 등을 안내하고 현재 어느 길이 뻥뻥 뚫리거나 막히는지도 표시된다.

20년 전만 해도 상상할 수 없었던 일들이 지금은 너무나 자연스러운 일상이 되었다. 세계 어느 곳에 있든 자신의 위치를 정확하게 알 수 있게 된 것은 인공위성을 이용한 GPS 덕분이다. 어떻게 이런 일이 가능해진 걸까? 그 바탕을 이루는 핵심 이론이 바로 아인슈타인의 특수상대성이론이다. 과학에 문외한인 사람도 아인슈타인, 상대성이론 혹은 E=Mc²이라는 공식은 한번쯤 들어봤을 것이다. 과학 교육과정에서도 그 바탕이 되는 내용을 필수로 다루고 있으니, 특히나 과학도를 꿈꾸는 학생들이라면 ‘아인슈타인’ 혹은 ‘상대성이론’을 다룬 교양서적 몇 페이지쯤은 넘겨봤을 법하다.

그런데 이 유명한 이론을 온전히 이해하는 사람이 몇이나 될까? 물론 대학에서 자연계열 학과에 진학해 전공과목에서 학습하는 경우를 제외하고. 누구나 들어봤을 정도로 유명하며, 우리 생활과도 밀접한 곳에 쓰이지만 정작 그 내용이 무엇인지는 명쾌하게 이해하기 쉽지 않다. 아인슈타인은 1905년에 특수상대성이론 논문을, 그리고 1915년에 일반상대성이론 논문을 발표했다. 이 책은 아인슈타인이 처음 이 빛과 속도, 시간과 공간의 비밀을 밝힌 이론을 세상에 발표했던 당시 학계에 큰 충격을 주었던 바로 그 오리지널 논문에 초점을 맞추었다. 아인슈타인의 연구 방법대로 논문의 큰 줄기를 따라가며 그가 세상 사람들에게 알려주고자 했던 것이 무엇인지 탐구하고자 한다.

시민 과학 시대 필독서
펜데믹, 기후 위기의 위협에서 과학 지식은 선택 아닌 필수

무한한 정보가 각종 소셜미디어를 통해 개인이 감당할 수 없을 정도로 쏟아지는 시대다. 그 와중에 마치 과학적으로 검증된 사실인 것처럼 포장된 가짜 정보들도 많아지고 있다. 코로나 팬데믹을 지나오며 그러한 가짜 정보가 생각지 못한 곳에서 집단 감염을 일으키게 만드는 등 사람들을 얼마나 위험에 빠뜨리는지 우리는 숱하게 보아왔다.
‘기후 위기’는 더 이상 환경론자만의 주장에서 그치지 않는다. 전 세계가 대형 산불이나 기습 폭우에 의한 피해로 고통받고 있다. 사계절이 뚜렷했던 우리나라는 봄가을이 사라져가고, 각 지역의 작물 재배 지도가 빠르게 바뀌는 중이다. 후대를 생각할 겨를 없이 당장 눈앞에 닥친 기후 위기. 그 때문에 환경에 관심을 갖고 정책 결정에 목소리를 내는 시민이 점차 늘고 있다.
평생교육 사회에 발맞춰 지자체별로 성인 대상 교양 교육을 제공하는 시민 대학을 운영하는 곳이 늘어났다. 여기에는 각종 인문, 실용 학문뿐 아니라 과학 강좌도 종종 눈에 띈다. 과학 지식을 아는 것은 이제 학교 시험을 보고 진학을 하는 데서 끝나지 않는다. 학교를 졸업한 일반 시민에게 계속적인 교육이 필요한 이유는 모두가 이 사회를 이끌어가는 구성원이기 때문이다. 정치권에서 정책을 입안하고 결정할 때, 그들은 시민들의 의사를 신경 쓸 수밖에 없다. 시민의 눈높이가 곧 그 사회의 수준이 된다.
감염병 대응, 4대강 사업, 탈원전 등 최근 몇 년간 펼쳐진 주요 정책들은 모두 과학적인 검토가 요구되는 사안들이다. AI가 일상이 된 이 시대는 과학과 관련한 정책이 더 늘어날 것이다. 사회의 일원으로 과학 지식을 가지고 정책에 올바른 목소리를 낼 수 있는 시민이 많아지길 바란다. 이 책이 그 발걸음에 조금이나마 발판이 되기를 기대한다.

아인슈타인 오리지널 논문 한번 읽어볼래?
일대일 수업으로 쉽게 풀어낸 아인슈타인의 특수상대성이론

여기서 잠깐! 의문이 든다. 그냥 한글로 쉽게 쓰여 있는 책 한 권 읽는데도 큰맘을 먹어야 하는 나인데. 무려 ‘논문’을 읽는다고? 그게 가능하겠냐는 말이다.
여기서 이 책의 저자인 정완상 교수의 내공이 온전히 드러난다. 저자는 대학에서 학생들을 가르치는 물리학 교수이면서 초중고생을 위한 과학, 수학 교양서를 수십 년간 집필한 ‘과학 이론을 쉽게 풀어주는 베테랑’이다. 이 책에서는 물리학도를 꿈꾸는 물리군에게 일대일 대화를 통하여 친절히 설명하는 정교수와의 수업이 여섯 번의 만남으로 이어진다.
더불어 중요한 줄기가 하나 더 있는데 바로 과학의 역사다. 이 책의 주제는 ‘특수상대성이론 논문의 해설’이지만 아인슈타인이 논문을 완성하기까지 바탕이 된 과학 이론들과 그 역사적 배경을 함께 이야기한다. 언급된 과학 이론들은 모두 학교 교육과정에서 기본과 핵심으로 다루는 내용들이므로, 책을 읽으며 그 배경을 자연스럽게 이해하고 학습에 흥미를 돋울 수 있을 것이다.

수식과의 정면 승부
인류 역사상 가장 아름답고 혁명적인 과학 논문에 도전하다!

이 책의 또 다른 특징은 논문에 사용된 ‘수식’을 그대로 가져왔다는 것이다. 시중의 교양과학 서적들은 수식을 배제한 채 역사적 배경이나 설명만 나열한 경우가 많다. 숫자나 수학 기호만 보아도 머리가 아파 책을 덮어 버릴 독자를 미리 배려(?)한 탓이리라. 그러나 이 책은 그 수식에 정면 승부를 걸었다. 아인슈타인의 논문에는 당연히 수식이 계속해서 등장한다. 이 식들을 배제하고 논문을 읽는 것은 수박 겉핥기일 뿐이다. 저자의 친절한 설명과 함께 아인슈타인이 논문에 썼던 방식대로 아름다운 공식인 E=Mc²에 도달하는 과정을 차근차근 따라가 보자.
수학은 과학의 언어라는 말이 있다. 과학을 이해하기 위해서는 과학의 언어인 수학을 알아야 한다. 수학이 바탕이 되어야 과학 내용을 온전히 내 것으로 만들 수 있다.
너무 욕심내지는 말자. 한 번에 이 내용을 다 이해하지 못해도 좋다. 무려 천재 아인슈타인이 쓴 논문인데 어떻게 단숨에 이해할 수 있겠나. 재미있는 과학사 이야기로 술술 따라와도 괜찮다. 아인슈타인이 위대한 이론을 탄생시킨 그 바탕만 어렴풋이 이해해 보는 건 어떨까? 수식은 눈으로 술술 읽어가도 좋다. 내용이 이해될 때 다시 반복해서 읽어보면 성취감이 더 크게 다가올 것이다. 책 뒤편에는 오리지널 논문의 영문본도 실려 있다. 저자와의 만남에서 접한 수식이 눈에 들어오는 뿌듯함도 맛볼 수 있으리라 기대한다.
과학에 미래를 건 학생들이여, 과학을 사랑하며 세상을 바꿔가는 시민들이여. 인류 역사상 가장 아름답고 혁명적인 생각이 담긴 논문에 도전하자. “나 아인슈타인 논문 읽어 봤어!”라고 외쳐 보자. 왠지 어깨가 벌써부터 으쓱으쓱해지지 않는가?

이과생을 위한 과학탐구 대비는 당연히 기본!
문과생에게도 필수인 국어 비문학 과학 지문 철저 대비

최근의 수능 시험(모의평가, 학력평가를 비롯한)은 문제의 지문이 점점 길어지는 추세에 있다. 과학탐구 영역의 문제도 간단히 개념을 묻거나 계산 결과를 도출하는 것에서 그치지 않고 실험 과정을 상세히 나열하거나 과학사적 배경을 설명하기도 한다.
수능 국어 영역의 비문학에서도 과학 분야의 지문이 종종 등장한다. 그런데 비문학 지문을 읽다가 시간 배분을 제대로 못하고 낭패를 보는 경우가 많다. 왜 그럴까? 바로 배경 지식 때문이다. 방대한 양의 지문을 빠르게 읽는 데 가장 도움이 되는 것은 그 내용이 익숙한지의 여부에 달려 있다.
이 책에서는 논문 해설의 중심 줄기를 바탕으로 그 바탕이 된 이론들의 과학사를 함께 다룬다. 이론을 발견한 과학자의 생애, 새로운 발견에 대한 에피소드를 함께 읽으며 자연스럽게 관련 지식을 습득할 수 있다.
뉴턴이 말했던 “내가 멀리 볼 수 있었던 것은 거인의 어깨 위에 있었기 때문이다.”를 기억하자. 아인슈타인이 남긴 논문은 그의 엄청난 노력의 결과물이다. 논문을 읽으며 아인슈타인이 씨름했던 문제들과 마주하면서 그의 연구 과정은 어떠했을지도 느껴보자. 이 책을 디딤돌 삼아 더 멀리 앞으로 나아갈 당신을 응원한다.

저는 일반계 고등학교 물리 교사입니다. 물리 과목을 선택한 학생들과 함께 현대 물리학에 대한 심화학습 활동으로 1901년 수상자인 뢴트겐으로부터 현재 여러 과학자들에 이르기까지 그분들의 업적과 학문에 대한 기여, 노벨상 수상 소감 등을 찾아본 경험이 있습니다. 더 나아가 노벨 물리학상을 수상한 과학자가 수행했던 실험 중 학생들과 직접 할 수 있는 실험들을 찾아 해 보기도 했습니다. 한 차시 실험 수업을 준비하기 위해 많은 시간을 할애하여 수업 자료를 만들었던 기억이 납니다. 그러던 중에 성림원북스에서 발간하는 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 접하게 되었습니다.

『세상에서 가장 쉬운 과학 수업 특수상대성이론』 이 책 한 권으로 특수상대성이론이 나오기까지의 방대한 물리학 지식 형성 과정을 상세히 접할 수 있었습니다. 특히 고등학교에서 역학과 전자기학 및 파동에 대한 지식을 접하고 현대 물리에 관심이 높은 학생들, 학생들에게 현대 물리를 의미 있게 가르치고 싶은 물리 선생님, 대학교에서 물리를 공부하는 대학생들과 현대 물리에 관심이 있는데 수학을 몰라서 주저했던 일반인들에게 이 책을 추천하고 싶습니다.

책에 쓰여 있는 수식을 이해하기 어렵다는 이유로 외면하다 보면 과학 지식의 언어인 수식을 잃어버리게 됩니다. 저자는 특수상대성이론을 접하기 전에 과감히 역학부터 맥스웰 방정식까지의 수식을 접할 수 있도록 책에 기술하였습니다. 이러한 시도를 볼 때 물리 교사로서 너무나 통쾌함을 느낍니다. 저자가 전개하는 아인슈타인 이전 여러 과학자들의 이야기와 수식에 대한 해설을 보면서 아인슈타인의 논문에 대한 이해를 경험해 보시기를 바랍니다. 여러분도 이 책이 인도하는 깨달음의 기쁨을 느끼시길 기대합니다.
- 전국과학교사모임