중성자를 발견한 제임스 채드윅, 중성자는 느린속도로 움직일때 비로소 멀리있는 핵에 잘 들러붙게된다는 원리를 깨달은 페르미, 여분의 중성자가 핵을 진동하도록 했을 때 내부는 산산조각이 나며 그때 사라진 질량들은 엄청난 에너지로 변화함을 증명해낸 여성 과학자 리제 마이트너. 그들의 이러한 일련의 발견들은 당시의 전쟁상황과 맞물려 원자폭탄제조의 시기를 앞당기게 한 원인이 되었다. 중성자를 이용하여 원자핵을 쪼갤 수 있고 그것은 위험천만한 에너지 폭발로 이어진다는 간단한 원리, 이것은 아이슈타인의 공식 E=mc^2 를 그대로 증명해주는 발견이었다. 시대적 상황으로 인해 그 첫 번째 적용이 전쟁무기였음이 아쉬울 뿐이라고 저자는 말한다.

E=mc^2, 이 공식은 원자의 세계에서 거대한 우주로 나아가 그 생성과 소멸을 푸는 열쇠였음을 보여주며 이야기는 끝을 맺는다. 빅뱅 그리고 별의 탄생과 소멸로 팽창하는 우주는 오랜 시간후에 부풀어오른 블랙홀이 지배하게되고 그 블랙홀마저 소멸되는 순간, 최후의 질량은 에너지만을 남기고 종말을 맞게될 것이라 한다. 우주의 생성과 소멸에 대한 원리가 공식에 고스란히 담겨있는 셈이다.

'에너지는 곧 질량이다.'

이번 책은 제목이 E는 엠씨 스퀘어다.  뉴턴의 고전역학을 한 번에 뒤엎은  상대성이론의 아이슈타인이 만들어낸 공식이기도 하다. 저자는 상대성이론을 다룬 책은  많은 내용을 담고 있어 일반독자로 하여금 이해하기 힘들다라고 말한다.

그래서 많은 내용을 담기보단 E=엠씨스퀘어에 관해서만 쓰기로 했다.

E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도이다.

c를 제외해 두더라도(숫자라고 보면 된다) E와 m의 관계를 적어놓

은 식이기도 하다.

이 식이 왜 중요할까~?

중요성을 알기위해 각각의 문자가 갖는 의미를 알아보자.

우선 물건을 불로 태웠다고 가정하자. 불로 태운 물건은 질량이 증가할까? 아님 감소할까. 그대로일까?

답은 질량은 증가한다. 물건을 태운다는 건  공기중의 산소와 물건이 결합한다는 것이다. 즉 공기중의 산소질량은 감소하지만 그 감소한 질량만큼 태운물건에 덧붙여진다.

이것이 유명한 질량보존의 법칙이다.  세상이 지진과 홍수 혹은 재해로 쑥대밭이 되어버린대도 총질량은 항상 보존된다.

E란 개념은 최근에야 만들어졌다. 근대적의미는 1800년도에 등장하는데 그렇다고  이전에는 사람들이 E란 것을 인식하지 못했던 것은 아니다. 바람이나 정전기 등의 힘은 인식을 하고 있었다. 하지만 포괄적인 의미의 에너지는 없었다.

 중고등학교시절 위치에너지와 운동에너지를 배웠다. 높은 물체의 물질이 떨어지면 위치에너지는 감소하지만 운동에너지는 증가한다. 따라서 에너지는 항상 보존된다. 이것이 바로 에너지보존법칙이다. 이것이 '왜'중요할까?

우리가 흔히쓰는 전자장은 패러데이에 의해 발견되었다. 전자장의 힘은 보이지 않지만 분명히 존재한다. 친구들과 통화하거나 미국에서 일어나는 일을 안방티비에서 실시간으로 볼 수 있는 것도 모두 전자장의 힘이다. 전류가 전계를 만들어내고 그 전계는 다시 자계를 만들어내는 것이 전자장의 핵심이다. 또 다시 전계->자계->전계 로 되풀이 되는데, 이건 운동->위치->운동으로 바뀌는 이치와 같다. 에너지가 보존됨으로써 우리는 통화를 하고 위성티비를 볼 수 있는 것이다.

돌,바위, 물건의 개념인 질량과 풍력, 자기력과 관련된 에너지분야는 1890년대까지 아무런 관련이 없는 분야였다.

이것의 연결고리를 찾은 사람은 다름 아닌 아이슈타인이었다.

마지막으로 c에 대해서 알아보자.

c는 빛의 속도를 가르킨다. 아이슈타인으로 인해 우리는 어떤 것도 빛보다 빠르게 갈 수 없다는 것을 안다. 하지만 질문을 던질 수 있다. 빛보다 1km 더 빠르면 어떻게 되나요~?

이건 물리적이해가 필요한 내용인데, 내가 만약 -273이 가장작은 수라고 말한다면 당신은 틀렸다고 말할 수 있다. 하지만 온도에 관해서라면 다른다. 입자들이 완전히 멈추는 -273도이며 이를 절대온도라고 한다. 숫자로는 더 내려갈 수 있지만 물리적인 현상은 그럴 수 없다.

이와 마찬가지고 빛의 속도이상을 낼 수 있는 숫자를 적는 건 가능하지만 물리적 현상은 있을 수가 없다.

성능 좋은 우주선을 빛의 속도로 달리기 위해 연료를 주입한다고 하자. 하지만 우리는 빛의 속도이상을 달리는 것은 불가능하다는 것을 알았기 때문에, 빛의 속도의 -1km까지 달리는 우주선을 가정하고, 연료를 초과하여 넣는다고 가정하자. 초과 주입된 에너지는 '압축되어' 질량의 증가로 변해간다.

우린 이로써 에너지가 질량으로 변한다는 것을 알아챘다.  실험적으로도 밝혀 졌는데, 작은 양성자에 에너지를 주입하면 점점 빨라지면서 나중에는 빛의 가까운 속도로 증가하는데, 계속해서 관찰하면 질량이 변하는 것을 보게 된다.

즉,c는 E와 m을 이어주는 환산인자라고 보면 된다.

심지어 우유광고에도 등장하는...

스타 과학자 아인슈타인!

하지만 E=MC2의 중요성에 대해서는 많은 페이지를 할당하여 설명하고 있지만, 정작 동 공식이 ‘빛의 속도가 일정하다’는 사실로부터 어떻게 유도되는지에 대해서는 설명을 누락하고 있다. 공식을 유도하는 것이 어렵기 때문일까? 저자는 단지 자신의 인터넷 웹사이트를 보면 “거기에는 이 모든 것들이 어떻게 광속 불변처럼 그렇게 단순한 관찰에서 비롯되었는지를 알려주는 물리학자들의 상세한 설명을 볼 수 있다”라고 언급하며 지나친다. 머리말에서 언급하고 있는 카메론 디아즈가 인터뷰에서 궁금해 했다는 E=MC2는 동 공식이 어떻게 유도되는지가 궁금했던 것이 아닐까. 예를 들어 TV가 궁금하다고 말할 때에는 TV가 무엇에 쓰이는 도구인지 또는 작동법이 궁금하다는 말은 아닐 테니까 말이다.

책의 대부분은 E=MC2에 관련된 과학자들의 일화를 소개하는데 할애되고 있다. 또한 여성과학자들과 유태인들에게 호의적인 내용으로 채우고 있다. 반면 독일 과학자 특히 하이젠베르크에게는 아주 적대적인 내용으로 일관한다. 진지한 이론 물리학자들이 반드시 부딪치게 되는 철학적 사유에 대해서는 거의 언급이 없다. 이런 내용은 공식의 유도만큼 독자들을 곤란하게 하고 따라서 독자의 수를 줄이는 요소가 될까.

솔직히 이 책은 마치 신문기사를 읽는 듯이 대단히 흥미롭고 어렵지 않고 쉽게 읽혀진다. 그러나 이는 현대 물리학에 대해 잘못된 인상을 주는 듯하다. 사실 결코 쉽지 않은 것이 현대 물리학이다. 아무래도 다른 책에서 동 공식의 유도과정을 찾아보아야 할 성싶다.