어제 밤에 예약을 미리 한 덕분에 인터스텔라가 나오자마자 볼 수 있었던 오징어입니다.
영화게도 인터스텔라로 핫하네요~
물론 아무 지식도 없이 봐도 즐겁지마는, 알고 보면 더 몰입하고 즐길 수 있겠다 라는 생각에 물리학을 아주 잘 아는 건 아니지만...
개인적으로도 정리할 겸 스포를 하지 않는 선에서 인터스텔라를 더 재밌게 보기 위한 배경지식 몇 가지를 간단하게 요약해봤습니다.
도움이 되셨으면 합니다..^^
아래는 인터스텔라에서 주로 나오는 키워드이며, 영화에서 보여지는 것 안에서만 간단하게 설명해보도록 하겠습니다.
중력, 중력스윙, 시간의 왜곡, 상대성이론, 입자가속기, 블랙홀과 사건지평선, 웜홀, n차원, 양자 데이터
1. 중력
"너무 오래 우주선에 있다가 나오니 힘들어?"
"이 행성의 중력은 너무 강해서 힘들군"
중력이란 아주아주..간단히 말하면 서로 끌어당기는 힘이며, 질량에 따라 그 힘이 증가합니다.
우리가 지구에 잘 붙어있는 이유는 지구의 질량이 충분히 크기 때문이며, 지구의 중심을 향해 힘을 받게 되지요.
달에서 우리의 체중을 잰다면 무게는 지구에서보다 더 적게 나올 것입니다.
우리의 체중이란 사실 질량 x 지구의 중력가속도 이기 때문이지요.
반면에 지구보다 훨씬 더 무거운 행성에서 무게를 재면 무게가 훨씬 더 나가게 되고 움직이는 데 힘이 듭니다.
머리 위에 아령 몇 개를 더 얹고 걷는다고 생각하면 쉬울 것 같습니다.
중력의 영향을 받지 않는 무중력 상태에서는 우리의 몸이 수직으로 힘을 받지 않기 때문에 지구에 적응해 있는 뼈와 근육조직이 느슨해집니다.
따라서 근력이 약화되지요. 우주에서 장기간 있어서 근력이 약화된 비행사들이 지구에 오면 걷기 힘들어하는 이유가 이러한 이유입니다.
"가까이 다가가면 빨려들어가고 말거야"
"저 행성이 미치는 중력의 범위에 들어가면 많은 연료가 낭비돼"
질량에 따라 중력이 미치는 범위는 증가하며, 주변공간을 왜곡시키게 됩니다.
달이 지구 주변을 계속해서 돌 수 있는 이유는 중력으로 인해 공간 자체가 휘어졌기 때문에, 달은 그 원의 궤도를 돌 수 밖에 없는 것입니다.
사실 중력을 포함한 모든 종류의 힘은 일종의 장(Field)을 형성합니다. 중력의 아버지라 불리는 뉴턴조차 이 생각은 하지 못했습니다.
단언컨데, 지식적으로 여러분은 뉴턴을 이미 뛰어넘은 상황입니다.
일례로 막대자석은 전자기력에 의해 매개되는데, 철가루를 뿌리면 전자기력에 의해서 생기는 장을 눈으로 볼 수 있습니다. 중력은 눈으로 볼 수 없을 뿐이죠.
지구라고 해서 예외는 없습니다. 지구는 무게가 훨씬 더 무거운 태양이 만든 공간의 휘어짐으로 인해 에너지를 최소화하는 곡면을 그리며 태양 주위를 돌게 되는 것이죠.
이러한 개념은 사실 꽤 최근에야 나온 개념입니다. 네..바로 아인슈타인입니다.
아인슈타인은 중력을 '질량으로부터 공간이 왜곡되면서 나타나는 현상' 이라고 재정의합니다.
때문에 이 행성의 중력으로 인해 공간이 왜곡된 중력장이 미치는 범위로 들어가게 되면 그 힘에 벗어나기 위해 더 많은 힘이 필요하게 됩니다.
2. 중력스윙(Gravitational Sling)
"중력스윙을 이용해서 이 별에 가면 연료를 절약할 수 있어"
중력스윙은 실제로 나사가 탐사선을 최대한 멀리 보내기 위해 사용한 방법입니다.
중력스윙은 시간에 따른 행성의 위치를 파악한 후, 일부러 행성 근처의 중력범위에 들어가서 추진력을 얻는 방식입니다.
옆을 살짝 비켜나가는 것이 포인트이며 벡터를 배우셨다면 아주 쉽게 이해하실 수 있을겁니다.
100% 정확하진 않지만 놀이터에서 뺑글뺑글 도는 기구에 타 있다가 순간적으로 손을 놓으면 밖으로 튕겨져 나가는 원리하고 얼추 비슷하다고 생각하시면 됩니다.^^
3. 시간의 왜곡
"이 행성에서의 시간은 지구의 시간과 달라"
근본적으로 중력에 의한 공간의 왜곡은 시간의 왜곡도 가져오게 됩니다.
이는 상대성 이론에 의한 것인데 이는 검색만 해보아도 많이 알 수 있기에, 간략하게만 써보도록 하겠습니다.
아인슈타인은 중력 뿐만 아니라 모든 종류의 가속 운동에 대해 공간이 휘어진다는 사실을 알아냈으며, 이에 관해 민코프스키라는 사람은 이렇게 말합니다.
"이제 시간과 공간의 독자적인 개념은 별다른 의미가 없다. 그 대신, 시간과 공간이 하나로 통합된 시공간의 개념이 그 자리를 대신할 것이다."
공간은 중력을 포함한 가속운동에 의해 휘어지는 성질을 갖고 있으며, 시간 또한 마찬가지로 휘어질 수 있습니다.
(시간과 공간은 서로 연결되어 있기 때문입니다.)
휘어진 시공간 자체가 중력을 의미하는 것이고, 중력 자체가 휘어진 시공간을 의미하는 것이지요.
태양처럼 별볼일 없는(우주적으로 봤을 때) 별의 근처에서는 시간지연효과가 태양 근처에 있지 않은 사람과 0.0002% 밖에 차이나지 않습니다.
하지만 질량이 태양보다 엄청나게 크다면 중력은 그만큼 더 클것이고, 그 별에 더 가까이 다가갈수록 받는 중력 또한 커지게 되어 중력을 받지 않는 시공간에 있는 대상과의 시간차는 더 벌어집니다.
중력이 강할수록 시공간은 더 강하게 휘어지고, 시간은 더 천천히 흘러갑니다.(시간 팽창, 시간 지연)
4. 상대성 이론
"상대성 이론에 의하면..."
"내 딸은...."
너무나 유명한 이론이지만 이 이론이 나온 배경과 과정은 설명이 다소 지루해질 것 같아 한 마디로 단순하게 말한다면,
시간과 공간은 서로 독립적이 아니며, 결합되어 시공간을 형성한다는 이론이라는 것만 여기서 알고 계시면 될 것 같습니다.
5. 입자 가속기
"이 구조를 잘 보게나. 아직도 모르겠나?"
입자 가속기란, 하나의 입자(주로 양성자)를 특정한 방법을 통해 계속 가속시키는 장치를 말하며, 유럽에 있는 LHC(Large Hardron Collider)가 최근 완공되어 힉스 입자의 존재를 검증하는 쾌거를 이룩하기도 했습니다.
강력한 입자 가속기는 그 크기가 왠만한 도시는 그냥 둘러싸는 정도의 원 크기를 가지기 때문에 엄청난 돈이 들어갑니다.
가속된 입자를 충돌시키면 내부 구성물이 튀어나오게 되고, 충돌패턴 분석을 통해 물질은 무엇으로 구성되어 있는지를 파악할 수 있는 것이죠.
(현대 물리학의 산 증인이라 불리는 파인만은 과학의 진보를 위해 미 의회에 커다란 입자가속기 건설을 제안했지만 비용과 안전의 문제로 퇴짜를 맞습니다...)
이를 이용해서 검증하고 만든 것이 현대 입자물리학의 표준 모델입니다.
입자를 엄청나게 가속하면 그 가속도로 인해 공간이 휠 테고, 어느 정도 휘느냐는 그 가속도에 달린 것이겠죠. 실제로 입자가속기로 인해 블랙홀이 생길 수도 있다는 우려가 제기되기도 했으나, 우리 기술력은 아직 이 수준의 발끝에도 미치지 못합니다.
왜 영화에서 입자가속기 얘기가 나왔는지는 영화를 보시고나면 이해하실 수 있을거에요.
위의 사진은 입자가속기의 크기입니다. 크기가 짐작이 가시나요..^^??
6. 블랙홀과 사건지평선
"저 행성 옆에는 거대한 블랙홀이 있어"
"방법이 하나 있긴 하지..."
사실 전 이걸 보려고 간 거나 마찬가지입니다.
인터스텔라를 제작할 때, 중력 최고의 권위자가 개입하여 공동작업을 했다고 하더군요. 실제 블랙홀의 모습과 거의 동일할 것이라고 합니다.
영화에서 배우들은 블랙홀이라는 단어를 사용하지 않고, 자막에서만 블랙홀이라고 말하고 있는데요.
사실 블랙홀은 생각보다 그렇게 검지가 않습니다..ㅎㅎ
블랙 홀이란 '그 지점에서부터 먼 거리까지 탈출할 수 없는 사건들의 집합' 이라고 스티븐 호킹은 정의합니다.
이는 중력하고도 연관이 있는데요. 질량이 엄청나게 큰 별이(약 태양의 20배) 폭발을 일으키면 밀도가 무지하게 높으며 질량도 무지막지하게 큰 별이 됩니다.
질량이 무지막지하게 크면 시공간이 왜곡되며, 그 빠르다는 빛조차 탈출하기가 힘들어집니다. 그렇다고 해서 주변의 모든걸 빨아들이는 진공청소기는 아니고, 사실 빛나지 않는 질량이 큰 별이라고 보시면 됩니다. 빛이 진입할 시 탈출불가/탈출가능 의 경계가 바로 사건지평선입니다.
아직 인류의 지식은 사건지평선 너머에 뭐가 있고, 어떤 일이 일어나는지 알지 못하고 있습니다. 다만 중력의 거대한 시공왜곡으로 인해 사건 지평선 내부를 영원히 들여다 보지 못한 채, 갇혀버린다는 주장이 힘을 얻고 있으며, 사건지평선에 들어가면 몇 cm의 차이가 굉장한 중력 차이를 만들어내기 때문에 몸이 스파게티처럼 늘어나 보일 것이라는 추측도 있습니다.
위 그림은 인터넷에서 흔히 볼 수 있는 블랙홀의 예상 모습입니다.
위아래(사실 우주에서 위아래의 개념은 없습니다. 극점이라고도 합니다)에서 X선 제트가 뿜어져 나오는 걸로 흔히 묘사가 되는데요.
좌우를 휘몰아치고 있는 건 강착원반이라 합니다. 빛의 속도에 가깝게 회전합니다.
영화에서 표현한 블랙홀의 모습과 비교해 보시는 것도 관전 포인트입니다^^
왼쪽 위부터 태양, 백색 왜성, 중성자별이 왜곡시키는 공간의 대략적인 예상입니다.블랙홀이 얼마나 시공을 왜곡하는지 한눈에 볼 수 있네요.
중간에 쓰여진 Event Horizon이 바로 사건지평선입니다. 저 너머에 무엇이 있는지는 아직 아무도 모릅니다.
7. 웜홀
영화 중반부에 등장하는 단어가 바로 웜홀입니다. 웜홀에 대한 쉬운 설명은 영화 도중에 나오니 흥미롭게 보시면 될 것 같습니다.
공간을 찢어 이어붙이는 개념은 '플롭 변환' 혹은 '코니폴드 변환' 이라는 일련의 과정을 통해 수학적으로 어느 정도 증명되었고, 아주 허무맹랑한 얘기는 아닙니다.
다만 웜홀의 벽은 수초 이내에 붕괴되기 때문에 통로로 이용되기 어렵다는 것이 현재의 지론입니다.
(폭 1m의 웜홀을 붕괴되지 않게 유지하려면 대략 태양이 10억년 동안 만들어내야 하는 에너지와 비슷하다고 합니다.)
웜홀을 잘만 이용한다면(복수개의 웜홀이 필요합니다), 적어도 이론상으로는 시간여행이 가능합니다.
8. n차원의 세계
"그들은 5차원의 세계에 살고 있어"
편의상 자막으로 5차원이라고 했던 건지, 실제 대사가 그랬던 건지는 정확히 기억이 나지 않지만, 영화에서 차원에 대한 얘기는 생각보다 많이 나오는 편입니다. 고차원에 대한 이해는 영화에서 간략하게 설명되니 재밌게 들으시면 될 것 같습니다.
가로 세로 높이로 표상되는 3차원의 세계와 시간의 축 하나를 추가해 4차원의 시공간이라는 개념을 아인슈타인이 확립했다면, 칼루자라는 수학자는 4차원보다 더 많은 차원으로 세상이 구성되어있다고 주장했으며, 이후에 주류로 자리잡습니다.
그 이유는 고차원의 가능성에 대한 이론이 20세기 후반, 상대성이론과 양자역학이라는 두 이론의 모순되는 정면충돌을 해결하고 설명할 수 있는 유일무이한 이론이었기 때문입니다.
현재는 3차원의 공간 좌표계와, 한 차원의 시간좌표, 그리고 공간에 숨은 6차원의 '칼라비-야우' 공간과 '중력자'의 존재를 설명하는 멤브레인(Membrane)이라는 한 차원의 막공간이 합쳐진 11차원에 대한 논의가 진행중입니다. 우린 생각보다 복잡한 세계에서 살고 있습니다.
3차원의 공간에 놓인 칼라비 야우 공간의 대략적 모습입니다.
9. 양자 데이터
'양자(Quantum)'라는 단어는 '양자역학' 이라는 단어를 통해서 많이 들어보셨을 것입니다.
양자는 '에너지의 최소단위 덩어리' 를 지칭하는 말이며, 사실상 우주 존재하는 모든 기본 물질이 양자입니다.
따라서 양자 데이터는 입자(혹은 에너지)에 관한 모든 정보를 의미한다고 보면 될 것입니다.
전 물리학도도 아니고.. 사실 생명공학 전공자이기 때문에 위 내용이 100% 정확하다고는 말할 수 없지만, 저 정도 지식으로도 충분히 많은 공감을 얻을 수 있었고, 뛰어난 영상으로 이론들을 풀어나가는 걸 지켜보는 것 만으로도 큰 재미를 느꼈습니다.
잘못된 것이 있다면 댓글로 따끔하게 지적해주시고..^^
저처럼 일반인들은 요정도만 알고 즐기면 참 좋겠다는 생각에 꽤 긴 시간동안 적어보았습니다~
참..영화를 보고 나서 주변을 쭉 둘러보니 커플들은 주로 실망을 많이 하고.. 남자들끼리 온 분들은 웃고떠들면서 재밌었다고들 많이 하시더군요.
인터스텔라는 혼자.. 혹은 남자들끼리만 즐기시고 썸남썸녀와의 데이트에는 비추천합니다.
물론 전 혼자봤습니다....
많은 분들이 보시고 같이 즐겼으면 하는 마음에 영화게와 과게에 동시에 올려봅니다..^^ 그럼 20000
(이미지는 구글에서 펐습니다)
