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상대성이론을 간단히 이해한다!

『상대성 이론』은 알베르트 아인슈타인이라는 천재가 물리학에 혁명을 일으킨 특수상대성이론, 일반상대성이론을 초등수학만으로도 이해할 수 있도록 설명한 책이다. 상대성이론의 방정식과 그 방정식들의 중요한 해 그리고 시간과 공간의 곡률을 나타내는 일반상대성이론인 아인슈타인의 중력방정식도 쉽게 풀어서 설명해 중력이론을 간단히 이해하는데 도움을 준다.

기초적인 이야기에서 시작해 물질과 에너지가 동일하다는 것, 왜 시간과 길이가 상대적인지에 대해 설명하고 아인슈타인의 중력방정식의 의미와 그것이 왜 가장 간단한 중력이론인지 그리고 아인슈타인의 중력방정식을 쉽게 푸는 방법과 일반상대성이론이 제기한 예측들을 소개하고 있다. 수많은 사고실험을 통해 물리학자들이 어떻게 모델을 만들고 답을 찾아내는지 설명하고 있어 더욱 재미있게 상대성이론을 공부할 수 있도록 도와준다.

초등수학만으로도 상대성이론을 이해할 수 있다?!
물리학에서 꼭 알아야 할 특수상대성이론, 일반상대성이론을
그림으로 쉽게 설명했다!!!
엘리베이터, 콩, 시계 등 일상생활 속 물건을 통해 알아보는 상대성이론!
누구나 쉽게 이해 가능한 상대성이론을 만나보자!!

『상대성이론』은 알베르트 아인슈타인이라는 천재가 물리학에 혁명을 일으킨 특수상대성이론, 일반상대성이론을 초등수학만으로도 충분히 이해할 수 있도록 설명해놓은 책이다. 『상대성이론』은 상대성이론의 방정식과 그 방정식들의 중요한 해 그리고 시간과 공간의 곡률을 나타내는 일반상대성이론인‘아인슈타인의 중력방정식’도 쉽게 풀어 설명한 만큼 중력이론을 가장 간단히 이해할 수 있을 것이다. 또한 수많은 ‘사고실험’을 통해 물리학자들이 어떻게 모델을 만들고 답을 찾아내는지를 설명해 흥미와 재미를 높였다!

전공학생들을 가르치며 물리에서 꼭 알아야 할 상대성이론에 대해 누구나 쉽게 이해할 수 있는 방법을 찾던 저자는 누구나 알고 있는 사물과 그것을 이용한 예들을 통해 아인슈타인의 상대성이론을 그림으로 설명하고 있다. 때문에 학교 수업을 통해 배운 초등수학만으로도 상대성이론을 이해할 수 있도록 구성한 만큼 『상대성이론』은 그 어떤 책보다도 쉬운 것이 특징이다. 또한 『상대성이론』은 다음과 같이 구성되어 있어 좀더 중점적으로 이해하고자 하는 내용을 찾아 공부할 수 있는 것도 특징이다.
특수상대성이론에 대해 설명한 제1장부터 제4장에는 빛과 물질, 공간, 시간의 관계를 명확히 이해하도록 했다.
제1장에서는 기초적인 이야기에서 시작하여 물질과 에너지가 동일하다는 것까지 설명한다.
제2장에서는 왜 시간과 길이가 상대적인지에 대하여 설명한다.
제3장에서는 일상에서 흔히 볼 수 있는 전선이 상대성을 확인할 수 있는 실제 사례라는 것을 설명한다.
제4장에서는 회전목마를 탈 때 학교에서 배운 기하학이 무용지물이 되는 이유에 대해 설명한다.
제5장부터 제9장까지는 ‘중력’, 즉 일반상대성이론에 대해 설명했다.
제5장에서는 지구의 ‘중력’이 우리를 끌어당기는 것이 아니라 시공간의 곡률에 의한 것임을 설명한다.
제6장에서는 시공간의 곡률이 발생시키는 효과에 대해 자세히 설명한다.
제7장에서는 널리 알려진 ‘아인슈타인의 중력방정식’의 의미와 그것이 왜 ‘가장 간단한’ 중력이론인지에 대해 설명한다.
제8장에서는 아인슈타인의 중력방정식을 쉽게 푸는 방법을 설명한다.
제9장에서는 이 해를 이용하여 일반상대성이론이 제기한 예측들을 소개한다. 예를 들면, 태양 부근을 지나는 빛은 어느 정도 휘는가, 블랙홀의 크기와 무게는 얼마나 되는가, 행성의 궤도는 왜 휘는가, 그리고 우주에는 ‘빅뱅’이 있고 우주의 미래는 불분명하다는 것에 대해 설명한다.
10장에서는 결론을 내리고 11장에는 꼭 알아두어야 할 상대성이론과 관련된 공식 등을 소개하고 있다.
때문에 어렵게만 느껴지던 상대성이론을 이 책에 소개된 수많은 예와 그림을 통해 쉽게 이해할 수 있을 것이다!

제1장 빛, 물질과 에너지
1.1 광선 14
1.2 상대성이론의 제1법칙 등속직선운동에 절대적인 의미는 없다 15
1.3 빛의 속도 측정 17
1.4 상대성이론의 제2법칙 빛의 속도는 불변의 우주상수 20
1.5 빛보다 빠르다? 21
1.6 이론 vs 실제 23
1.7 질량과 관성 24
1.8 관성과 무게 25
1.9 에너지 26
1.10 질량과 운동에너지 28
1.11 정지질량과 운동에너지 29
1) 내부운동의 운동에너지 29
2) 순수한 에너지 30
1.12 순수한 에너지의 질량 31
1.13 질량과 에너지의 등가 35
1.14 정보에는 에너지가 필요하다 36

제2장 빛, 시간, 질량과 길이
2.1 빛과 시간 40
2.2 감마값 43
2.3 누구의 시계가 느린가? 47
2.4 빛, 시간 그리고 길이 48
1) 속도가 향하는 방향의 길이 48
2) 속도가 향하는 방향과 그것에 대하 여 수직인 방향의 길이 50
2.5 ‘같은 시각’이란? 51
2.6 시간과 물질 54
2.7 속도의 가법 57

제3장 빛, 전자와 전기
3.1 전하와 속도 62
3.2 전하와 자석 64
3.3 전기장과 자기장 66
3.4 전류에 발생하는 자기장 68
1)패러데이 역설 70
2)상대성이론이 해당하지 않으면 인력은 없다 71
3)상대성이론이 해당하면 인력이 있다 72

제4장 가속과 관성질량
4.0 가속의 도입 76
4.1 회전운동: 쌍둥이 역설 1 77
4.2 회전운동: 유클리드 기하학은 아니다 79
4.3 직선운동 82
4.4 고유시간과 관성: 쌍둥이 역설 2 85

제5장 관성과 중력
5.0 관성과 무게의 관계 90
5.1 중력은 힘이 아니다 93
5.2 중력이 시공간을 굴절시킨다 97
1) 곡면 98
2) 휘어진 시공간 100
5.3 시공간의 곡률 계산 103

제6장 등가원리
6.1 중력과 시간 110
6.2 휘어진 시공간 속의 고유시간: 쌍둥이 역설3 113
6.3 휘어진 시공간에서의 직선운동 116
6.4 완전 구의 중력의 영향을 받는 길이118
6.5 완전 구 주위의 중력 121
6.6 중력을 받는 질량 123
6.7 중력을 받는 빛 124
6.8 블랙홀의 간략한 소개 127
6.9 등가원리의 정리 129

제7장 질량의 중력 발생 방법
7.1 고립되어 있는 구름의 중력 132
7.2 아인슈타인의 중력방정식 135
7.3 압력의 도입 136
7.4 속도의 도입 139
7.5 외부 질량의 도입 141
7.6 국소적인 시공간과 전체적인 시공간 142
7.7 아인슈타인의 중력방정식 풀이법 144

제8장 아인슈타인의 중력방정식을 푼다
8.1 운동법칙을 일으키는 중력 150
8.2 완전 구 안의 중력 152
8.3 구형 공동의 평평한 시공간 156
8.4 완전 구 밖의 중력 158
8.5 슈바르츠실트 엄밀해 161
8.6 뉴턴의 중력법칙 165

제9장 일반상대성이론의 활용
9.1 블랙홀 170
9.2 빛의 굴절: 약한 중력 1 173
9.3 케플러의 법칙 182
9.4 행성의 궤도가 구부러진다: 약한 중력 2 188
9.5 블랙홀 부근의 강한 중력 194
9.6 중력파 198
9.7 중력에너지는 어디에 있을까? 201
9.8 우주의 빅뱅 204
1) 우주의 작은 구형 영역의 질량 206
2) 우주 규모의 구형 영역의 질량 209
9.9 진공에너지와 압력 214

제10장 결론
10. 후기 222

제11장 부록
11.1 중요한 수치 226
11.2 순수한 에너지 정리 227
11.3 작은 속도의 상대성 231
11.4 증가하는 질량의 속도가법 정리 233
11.5 아인슈타인 중력방정식의 텐서 236

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