일반 상대성이론의 공간 개념에 대한 교재 분석 및 고등학생들의 이해

Abstract

교육과정이 개정됨에 따라 고등학교 교육과정에 처음 도입된 일반 상대성이론은 물리학의 기본 요소인 공간에 대한 새로운 관점을 요구한다. 이에 따르면 공간의 성질은 물체에 의해 영향을 받으며, 휘어진 공간을 다루는 비유클리드 기하학에 의해서만 옳게 기술될 수 있다. 하지만 공간의 휘어짐을 이해하기란 결코 쉬운 일이 아니며, 일반 상대성이론의 내용 자체가 매우 어렵다는 인식 때문에 관련된 연구들이 매우 부족하다. 그래서 본 연구에서는 고등학교 교과서와 대학의 일반물리학 교재 분석을 통해 일반 상대성이론과 휘어진 공간이 전개되는 방식과 자주 사용하는 서술방식, 휘어진 공간을 설명하는 그림과 비유를 살펴보았다. 그리고 교재 분석 결과를 바탕으로 설문조사 및 개별면담을 실시하여 교재에서 자주 사용되는 볼링공-고무판 비유와 일반 상대성이론의 휘어진 공간을 학생들이 어떻게 이해하고 있는지 조사하였다. 먼저 고등학교 교과서 2권과 대학의 일반물리학 교재 16권을 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 대부분의 교재들은 일반 상대성이론을 새로운 중력 이론으로만 서술하였다. 둘째, 일반 상대성이론의 내용 전개 순서는 등가원리로 시작하는 교재와 일반 상대성원리로 시작하는 교재로 나눌 수 있었다. 셋째, 휘어진 공간을 도입하는 방식에는 일반 상대성이론의 실험적 증거들을 설명하는 과정에서 휘어진 공간을 도입하는 방식과 회전하는 원판과 같은 가속되는 좌표계에서 유클리드 기하학이 성립되지 않는다는 사실을 통해 휘어진 공간을 도입하는 방식의 두 가지가 있었다. 넷째, 교재에 나타난 그림들에서 격자무늬, 가운데가 움푹 파인 모습, 천체 및 빛의 경로의 구부러짐 등의 공통점을 발견하였다. 다섯째, 일부 교재에서는 무거운 공이 놓인 고무판의 비유로 휘어진 공간을 설명하였다. 교재 분석 후 고등학생들을 대상으로 볼링공-고무판 비유와 휘어진 공간에 대한 설문조사와 개별면담을 실시하였다. 분석 결과, 학생들은 공간과 고무판의 요소들을 대응시키는 데 어려움을 겪고 있었다. 그리고 대부분의 학생들은 공간과 고무판의 유사점을 잘 알고 있었지만 차이점을 발견한 학생은 많지 않았다. 또한 공간이 휘어지는 이유와 물체의 경로가 휘어지는 이유를 설명할 때, 일반 상대성이론의 휘어진 공간과 연관 짓기보다는 뉴턴의 운동법칙과 중력 이론을 이용하려는 학생이 더 많았다. 공간과 물체 사이의 관계에 대해서, 학생들은 뉴턴의 공간 개념과 아인슈타인의 공간 개념을 제대로 이해하지 못하였고 일관성이 부족하였다. 일반 상대성이론을 다루는 교재들은 일반 상대성이론이 갖는 다양한 의미와 질량에 대한 관점을 자세히 기술해야 한다. 그리고 휘어진 공간을 볼링공-고무판 비유로 설명할 때, 학생들이 공간과 고무판의 요소들을 잘 대응시키는지 확인할 필요가 있으며, 공간과 고무판을 동일시하지 않도록 해야 한다. 또한 물리학에서 공간이 갖는 의미와 주요 자연철학자들의 공간 개념, 공간에 대한 논쟁들을 학생들에게 제시하여, 학생 스스로 자신만의 공간 개념을 정립할 수 있도록 돕는 과정이 필요하다.