빛의 속도가 일정한 근본적인 이유는 무엇일까?

특수 상대성 이론은 사실일까?

사람에 따라 시간은 다르게 흐를까?

우주에는 시간이 존재할까?

이 모든 질문에 대한 답은 빛의 파장과 빛의 궤적에 숨겨져 있다.

크리스토퍼 놀란 감독의 영화 [인터스텔라]는 1000만 명 이상의 관객을 끌어모았다. 빠른 속도와 강한 중력에 의한 시간 지연 현상, 공간의 휨, 블랙홀, 5차원 공간 등을 시각적으로 잘 표현하여 호평을 얻었다. 특히, 주인공 쿠퍼가 중력이 매우 강한 블랙홀 근처에서 겨우 1시간 머물렀을 뿐인데 지구에서는 무려 7년이라는 긴 세월이 지나간 것을 알게 되었을 때의 충격은 지금까지도 회자되고 있다.

아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의하면 매우 빠른 속도로 달리는 사람의 시간은 정지해 있는 사람의 시간보다 천천히 흐른다. 일반 상대성 이론에 의하면 중력이 강한 장소는 중력이 약한 장소보다 시간이 천천히 흐른다. 이를 ‘시간 지연 효과’ 또는 ‘시간 지연 현상’이라고 한다. 막연히 꿈꿔온 우주여행의 기회가 생기더라도 [인터스텔라]에서 본 ‘시간 지연 현상’을 떠올리며 망설이는 사람이 있을지도 모른다.

하지만 걱정할 필요 없다. 이 우주에 ‘만약’ 시간이 있다면 우주의 어디에서든 시간은 일정하고 균일하게 흐를 것이다. 1년 동안 매우 빠른 속도의 우주선을 타고 우주여행을 했더라도, 강한 중력으로 빛마저 삼켜버리는 블랙홀 옆에서 몇 시간씩 머물렀더라도, 여행을 끝내고 지구로 돌아오면 지구에 있던 가족들과 똑같이 한 살을 더 먹을 뿐이다. 그 이유는 이 책을 읽고 나면 명쾌하게 이해할 수 있을 것이다.

이 책의 목표는 크게 두 가지이다. 첫 번째 목표는 아인슈타인이 움직이는 물체의 시간 지연 효과를 유도하기 위하여 실시한 ‘사고 실험’에 치명적인 오류가 있음을 지적하여 시간 지연 현상이 일어나지 않음을 밝히는 것이다. 즉, 17세기에 만유인력 법칙을 발견한 뉴턴이 주장했듯이, 만약 시간이 존재한다면 우주 안의 시간은 관측자에 따라 다르게 측정되는 것이 아니라 절대적이라는 것을 보이고자 한다.

두 번째 목표는 우리가 잘 모르는 빛이 가진 신비스러운 성질을 명확히 밝히는 것이다. 즉, 어느 누가 측정하더라도 빛의 속도가 항상 똑같이 주어지는 광속도의 일정성에 대한 근본적인 이유를 독자들과 함께 나누고자 한다.

이제부터 우주의 비밀을 하나하나 밝혀보자!

이 책을 시작하며 7

Part 1 빛의 궤적은 보통 물체의 궤적처럼 보이는가?

빛의 궤적과 파장에 숨겨진 비밀을 캐기 위한 기초 중의 기초•19

특수 상대성 원리와 광속도 불변의 원리는 어떻게 형성되었나?•36

Part 2 시간 지연 현상은 과연 일어날까?

움직이는 물체의 시간 지연 효과는 어떻게 도출되었나?•51

시간 지연 현상을 유도한 ‘사고 실험’에는 아무런 문제가 없는가?•65

시간의 절대성에 대한 증명•87

Part 3 광속도 불변의 근본적인 이유는 무엇일까? 

광속도 불변의 근본적인 이유•95 

중력이 약하든 중력이 강하든 시간은 균일하게 흐른다는 시간의 절대성에 대한 증명•126

두 관성계 사이를 잇는 시간이 절대적인 새로운 좌표 변환•133

Part 4 시간 지연 현상을 지지하는 실험이나 사례는 아무런 문제가 없는가? 

시간 지연 현상과 관련되는 상황과 실험결과에 대한 올바른 해석•139

Part 5 광행차가 일어나는 실제 이유는 무엇일까? 

별의 광행차가 발생하는 근본적인 이유•165

동일한 현상의 서로 다른 표현인 전기력과 자기력에 관하여•176

시간은 존재하는가?•184

■ 이 책을 끝맺으며…•191 

■ 부록•194

■ 미주•201

■ 찾아보기•213

김군찬: 계명대학교 수학과

김영희: 상명대학교 의공생명힉과

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