물리의 정석: 일반 상대성 이론 편

 

일반 상대성 이론 편

물리의 정석

레너드 서스킨드, 앙드레 카반 ｜ 이종필 옮김

 

 

일반 상대성 이론 탄생 110주년!

끈 이론 창시자의 명쾌한 해설

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우주의 실제 구조를 더 깊이 알고 싶은 이를 위한

3000만 뷰 유튜브 명강!

 

일반 상대성 이론은 쉽지 않다. 어렵다. 수학에도 웬만큼은 익숙해져야 한다. 그래서 훌륭한 스승과 안내자가 있으면 좋다. 이 책의 저자인 레너드 서스킨드는 그 안내자로서 최상의 선택지이다. 현존하는 최고의 물리학자 중 한 명이기도 하거니와 일반 상대성 이론과 관련된 중요한 논쟁, 예를 들면 블랙홀에서의 정보 손실과 같은 수십 년에 걸친 논쟁에서도 중심에 있었던 인물이기 때문이다.
―본문에서

 

 

시간과 공간이 떼려야 뗄 수 없이 엮여 있음을 인류에게 인식시켜 준 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론. 10년의 탐구 끝에 그는 가속도와 일정한 중력이 같다는 아주 간단한 원리에서 시작해 이 이론을 무거운 물체가 포함된 시공간으로 일반화하는 데 성공한다. 바로 1915년 11월 25일 발표되어 곧 발표 110주년을 앞둔 일반 상대성 이론(General Theory of Relativity)이다. 중력의 본질을 창조주의 권능이나 신비로운 원격 작용력이 아닌 시공간의 기하로 대체한 일반 상대성 이론은, 한 세기가 넘는 시간이 흐르며 양자 역학과 함께 현대 물리학을 떠받치는 기둥으로 자리 잡고 있다.

 

『물리의 정석: 일반 상대성 이론 편』은 인류 지성사에서 기념비적 업적으로 손꼽히지만 직접 도전해 볼 엄두는 나지 않았던 이 이론을, 끈 이론의 창시자이자 스티븐 호킹과 어깨를 나란히 하는 물리학계의 거장인 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)가 대가의 시점에서 통합하고 관통해서 설명한 책이다.

 

레너드 서스킨드는 1973년부터 지금까지 스탠퍼드 대학교 이론 물리학 교수로 재직하며 양자 광학, 기본 입자 물리학, 응집 물질 물리학, 중력 이론을 비롯한 다양한 분야에 공헌해 왔고, 2007년부터 「최소한의 이론(Theoretical Minimum)」이란 이름으로 누구나 볼 수 있는 유튜브 강연을 진행해 왔다. 현대 물리학과 우주론을 공부하고 싶어도 묻고 배울 선생님이 없고, 대중 교양서로는 지적 호기심을 다 풀 수 없는 일반인을 위해 개설된 이 강연은 6개의 핵심 과정(고전 역학, 양자 역학, 특수 상대성 이론과 고전 장론, 일반 상대성 이론, 우주론, 통계 역학)에 9개의 추가 과정을 더한 총 138개의 동영상으로 이루어져 있으며 2024년 6월 기준 누적 조회 수 3000만을 돌파했다.

 

이 연속 강의에서 핵심 과정을 모아 책으로 엮은 것이 「물리의 정석」 시리즈이다. 2017년 『물리의 정석: 고전 역학 편』을 필두로 한국에 소개된 이 시리즈는 “스탠퍼드 천재들이 선택한 진짜 물리학 특강”이라는 과학 · 수학 마니아들의 입소문 속에 일찍이 누계 4만 부를 돌파한 바 있다. 『물리의 정석: 일반 상대성 이론 편』은 2022년 출간된 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』을 잇는 최신작으로, 스탠퍼드 대학교에서 통계학으로 박사 학위를 받은 MIT 수학과 강사이자 「물리의 정석」 시리즈 프랑스 어판 번역자인 앙드레 카반(André Cabannes)이 새로이 공저자로 참여했다. 《월 스트리트 저널》 ‘최고의 책’으로 선정되기도 한 전작의 방식과 논리를 그대로 유지하면서 일반 상대성 이론을 다룬 이 책은 우주의 실제 구조에 대한 더 깊은 지식을 원하는 모든 사람에게 그야말로 정석(定石)과도 같은 작품이다.

 

 

추천사

 

레너드 서스킨드와 전 MIT 수학과 강사인 앙드레 카반은 「물리의 정석」 시리즈의 네 번째 책에서 열 번의 밀도 있고 상세한 ‘강의’를 통해 아인슈타인 일반 상대성 이론과 그 이면의 수학을 설명한다. ―《퍼블리셔스 위클리》

 

서스킨드의 비결은 물리 초보자를 수학과 역사의 훈련장에 보내서, 『물리의 정석』을 따르는 길이 자연스럽고 결국에는 더 쉽게 느껴지도록 하는 것이다. 재치와 통찰력이 빛나는 작업이다. ―《네이처》

 

서스킨드는 물리적 현상에 방정식을 적용하는 각 단계를 꼼꼼하게 설명하고, 왜 수학이 그렇 게 작용하는지를 설명하는 일에 탁월한 소질이 있다. ―《사이언스 뉴스》

 

한때 과학 꿈나무였으나 결국 다른 직업을 택했고 그럼에도 우주가 어떻게 돌아가는지 여전히 궁금한 당신에게, 「물리의 정석」 시리즈를 바친다. ―《월스트리트 저널》

 

일반 상대성 이론을 깊이 이해하기 위한 모든 수학이, 교과서보다 쉽게 담긴 책. ―미국 AMAZON 독자 서평

 

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차례

서문 1 레너드 서스킨드 7

서문 2 앙드레 카반 10

 

1강 등가 원리와 텐서 해석 15

2강 텐서 수학 97

3강 평평함과 곡률 145

4강 측지선과 중력 201

5강 중력장의 계측 269

6강 블랙홀 319

7강 블랙홀 속으로의 낙하 377

8강 블랙홀의 형성 423

9강 아인슈타인 장 방정식 471

10강 중력파 527

 

옮긴이의 글 지식 속에서 아름다움을 발견하는 희열 583

찾아보기 587

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저자 소개

레너드 서스킨드

뉴욕 시티 칼리지(CCNY) 공학부를 졸업하고 코넬 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 1973년부터 스탠퍼드 대학교 이론 물리학 교수로 재직하고 있다.

양자 광학, 기본 입자 물리학, 우주론 등 이론 물리학의 모든 분야에 공헌했다. 스티븐 호킹에 대항해 블랙홀에 빨려 들어간 정보는 사라지지 않는다고 주장했다. 쿼크 속박 이론, 중입자 생성, 블랙홀 상보성 원리, 홀로그래피 원리 등 현대 물리학계를 뒤흔든 여러 개념을 발견해 내기도 냈다.

미국 국립 과학원(NAS)과 미국 학술원(AAAS) 회원이며, 세계 최고의 이론 물리학 연구 기관 중 하나인 캐나다 페리미터 이론 물리학 연구소의 객원 교수이다. 우리나라 고등 과학원(KIAS)의 석좌 교수로 강연하기도 했다. 저서로는 『우주의 풍경』, 『블랙홀 전쟁』, 『물리의 정석: 고전 역학 편』, 『물리의 정석: 양자 역학 편』, 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』 등이 있다.

 

앙드레 카반

스탠퍼드 대학교에서 통계학으로 박사 학위를 받았다. MIT에서 수학을 강의했으며, 이후 경영 컨설턴트와 기업가로 살았다. 「물리의 정석」 시리즈의 프랑스 어판 번역자이기도 하다.

 

옮긴이 이종필

서울 대학교 물리학과를 졸업하고 같은 대학교 대학원에서 입자 물리학으로 석사, 박사 학위를 받았다. 한국 과학 기술원(KAIST) 부설 고등 과학원(KIAS), 연세 대학교, 서울 과학 기술 대학교에서 연구원으로, 고려 대학교에서 연구 교수로 재직했다. 현재 건국 대학교 상허 교양 대학 교수로 재직 중이다. 저서로는 『물리학 클래식』, 『대통령을 위한 과학 에세이』, 『신의 입자를 찾아서』, 『빛의 전쟁』, 『우리의 태도가 과학적일 때』, 『물리학, 쿼크에서 우주까지』 등이 있고, 번역서로 『물리의 정석: 고전 역학 편』, 『물리의 정석: 양자 역학 편』, 『물리의 정석: 특수 상대성 이론과 고전 장론 편』, 『최종 이론의 꿈』, 『블랙홀 전쟁』 등이 있다.

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