특수상대성이론의 두 가지 가정에 의한 질량-에너지 등가식의 직관적 유도

논문 초록

내 아들이 초등학교 5학년 때 있었던 일이다.

수학학원에 다녀온 아들이 아빠에게 피타고라스의 정리를 아냐고 물었다. 나는 “아빠는 당연히 알지만 너는 그것을 어떻게 아느냐?”고 물었다. 아들은 오늘 학원에서 배웠다고 말했다.

나는 피타고라스의 정리를 중학교 3학년 때 배운 것으로 기억한다. 그것은 이 정리를 증명하기 위해서는 중학교에서 배운 수학이 필요하기 때문이다.

중학교 3학년 때 등장하는 피타고라스 정리의 증명에는 여러 가지 방법이 등장한다. 그 중 곱셈공식으로 증명하는 방법이 있는데, 곱셈공식은 중2학년 과정에 나온다. 또 도형의 닮음으로 증명하는 방법이 있는데, 도형의 닮음도 중2학년 과정에 나온다. 제일 쉬운 것이 삼각형의 합동과 넓이를 가지고 증명하는 것인데, 이것은 중1학년 과정에 나온다.

나는 당연히 아들이 피타고라스 정리의 개념을 듣기만 했지 증명법은 모를 거라 생각했다. 그래서 나는 중학교에 가면 증명법을 배운다고 말했다. 그랬더니 아들은 증명할 줄 안다고 말했다.

이 순간 나는 학원에서 중학교 과정을 선행해서 가르치나 생각해서 아들에게 그러냐고 물었다. 아들은 아니라고 답했다. 이해할 수 없는 노릇이었다. 그래서 아들에게 “그럼 어디 한번 증명해봐!” 하고 말했다.

아들은 종이와 연필을 가져와 그림을 그리면서 피타고라스의 정리를 증명해 주었다. 나는 깜짝 놀랐다. 그것은 내가 처음 보는 증명법이었고, 그 증명법은 지금까지 내가 알고 있던 그 어떤 증명법보다 쉬웠다. 그리고 그 증명에는 중학교 수학이 전혀 들어있지 않았다.

넓이의 개념을 아는 초등학생들은 누구나 이해할 수 있었다. 이 증명법을 아래에 공개한다.

pythagoras-original-proof

c2 = a2 + b2

이 증명은 아마도 피타고라스 정리의 가장 오래되고 가장 기초적인 증명법이다. 나는 아들의 설명을 들으면서 왜 이런 쉬운 증명이 교과서에 실리지 않았는지 의아해 했다.

증명이 쉬워지면 이해하기가 한결 수월해지고 공부하는 즐거움도 배가된다. 나는 한때 초등학생과 중학생을 대상으로 수학학원을 운영한 적이 있다. 책에 실린 증명법이 어려우면 더 쉬운 증명법을 스스로 연구하여 아이들에게 알려주곤 했다.

그러던 중 어떤 아이들이 유명한 아인슈타인의 질량-에너지 등가식(E=mc2)을 쉽게 증명해 줄 수 있는지를 물었고, 나는 그렇게 해 주겠다고 약속했다.

여러 가지 책을 참고하며 질량-에너지 등가식의 유도과정을 알아보았다. 그런데 아무리 찾아도 초등학생이나 중학교 학생들이 이해할 수 있는 방법이 없었다. 물리학 전공자들에게도 물어보았지만 그러한 방법을 알지 못한다고 했다.

나는 포기하지 않았다. 이제부터는 책을 찾아보는 것에서 벗어나 혼자 깊은 사유의 시간을 갖는 방식으로 문제를 해결해 나가기로 했다. 사유의 결과 여러 가지 아이디어가 나왔고 나는 이를 토대로 아이들이 상대성이론을 쉽게 이해할 수 있도록 두 권의 책을 집필했다. 이 책들이 바로 ‘초딩도 이해하는 상대성이론’과 ‘초딩도 이해하는 E=mc2’이다.

‘초딩도 이해하는 E=mc2’은 초등학생을 고려해서 쓴 책이라 설명할 게 많아 분량이 길었다. 중학교 과학을 배운 사람들은 이보다 훨씬 쉽고 직관적으로 이 식을 이해할 수 있다고 생각한다.

본 논문은 중학교 과학을 배운 사람들이 특수상대성이론의 두 가지 가정만으로 직관적으로 E=mc2을 이해할 수 있는 방법을 모색한 과정과 결과이다.

물론 이에 관한 이견도 얼마든지 있을 수 있다고 생각한다. 본 논문을 쓰는 것은 그 이견들을 겸허하게 듣고 싶은 마음이 간절한 이유도 크다.

본 논문이 출판되도록 애써 주신 큐니버시티 최성호 총장께 감사드린다.

최규철 연구원

취미로 과학과 수학을 연구하며 이를 생활과 비즈니스에 적용하기를 좋아하는 아마추어 물리학자, 수학자이다. 어린이 스토리텔링 수학교재 ‘아인슈타인수학 전집’을 저술했으며, ‘초딩도 이해하는 상대성이론’, ‘초딩도 이해하는 E=mc2’을 출판했다. 그리고 아인슈타인의 교육철학에 관한 ‘나와 아인슈타인과 아가의 미소’를 출판했다. 최성호 대표와 함께 설립한 호기심을 살리는 우리들의 대학교, 큐니버시티를 통해 꾸준히 과학과 수학에 관한 논문을 발표하고 있다.

?내 돈도 안 쓰고, 투자도 안 받고, 대출도 없는 순수 무자본으로 다양한 종류의 기업을 창업해 내는 연쇄 창업가이다. 남들이 안 될 것 같다고 말하는 사업일수록 기회라고 생각해서 기어이 도전하고 구축해내는 독특한 사업가이자, 특별한 사업 아이디어를 끊임없이 제작해 내는 발상가이다.

?스쿨몬스터주식회사 캡틴이자, ‘하루만에 책쓰기 창시자’로서 하루만에 책쓰기로 매주 한권씩 책을 쓰고 있으며, 매월 한권, 매주 한권 책을 쓰는 수퍼 작가들을 양성하고 있다.

* 연락처: stevenchoi@schoolmonster.kr

저자 소개
논문 초록
차례

I. 특수상대성이론의 두 가지 가정에 대해
(A) 상대성의 원리
(B) 광속불변의 원리

II. 일과 에너지에 대해
(A) 일과 에너지
(B) 운동에너지와 위치에너지
(C) 운동에너지 E=1/2mv2

III. 특수상대성이론의 두 가지 가정에 의한 질량-에너지 등가식의 직관적 유도
(A) 상대성원리에 의한 운동에너지
(B) 광속불변원리에 의한 운동에너지
(C) 총 운동에너지와 E=mc2

논의를 마치며