부귀영화를 다 누리다 깨어보니 한낱 꿈이더라는 일장춘몽 설화는 어디에나 있다. 미지의 세계로 들어갔다가 하룻밤 지내고
돌아왔더니 몇십 년이 흘렀더라는 시간여행 전설도 많다. 동굴에서 포도주를 마시고 잠든 새 20년이 지났더라는 독일민담과
이를 패러디해 미국의 독립전쟁 전후 상황을 그린 워싱턴 어빙의 단편소설 ‘립 반 윙클’도 비슷한 경우다.
지난주 유럽연합 우주탐사선이 지구를 떠난 지 10년8개월 만에 혜성에 도착했다. 그 전에 보이저호는 태양계의 마지막 영역
으로 진입하는 데 36년이나 걸렸다. 이대로는 인간의 수명으로 다른 은하계까지 여행하는 게 불가능하다. 그런데 최근 영화
‘인터스텔라’는 세계적인 물리학자 킵 손의 ‘웜홀(wormhole)이론’을 토대로 시간여행이 가능하다는 것을 구체적으로 보여준
다.
웜홀이란 서로 다른 두 시공간을 잇는 구멍이나 통로, 즉 우주 공간의 지름길을 말한다. ‘사과를 관통하는 벌레구멍(wormho
le)으로 반대편까지 더 빨리 갈 수 있다’는 비유에서 나온 용어다. 처음에는 빛까지도 빨아들이는 블랙홀과 그것을 뱉어내는
화이트홀의 연결 통로로 여겨졌지만, 화이트홀의 존재가 불투명해지면서 블랙홀끼리 연결되는 순간이동 통로일 것이라는
설이 우세하다.
블랙홀은 ‘강한 중력 때문에 좁은 공간이 심하게 구부러져 빛이 빠져나오지 못하는 곳’을 뜻한다. 에너지를 다 소모해서
쪼그라든 별이 엄청난 중력으로 주변의 빛까지 빨아들일 때 그 이동 통로가 곧 웜홀인 것이다. 두 공간을 도화지처럼
구부렸을 때 가까워진 지점을 파이프로 연결한 것이라고 생각하면 쉽다.
킵 손 박사는 웜홀의 한쪽 입구를 빠르게 이동시켰다가 다시 돌아오게 하면 시간지연 현상이 발생하고, 이를 활용하면
시간여행이 가능하다고 본다. ‘인터스텔라’에서 행성의 1시간이 우주선 안에서 7년으로 그려진 것도 마찬가지다.
남녀 주인공이 행성에서 3시간의 사투를 벌이는 동안 우주선에 남아 있던 사람은 23년을 혼자 보내는데, 이는 중력이
강할수록 시간이 느리게 흐르기 때문이다.
킵 손은 칼 세이건에게 영감을 준 학자로도 잘 알려져 있다. 세이건의 소설을 토대로 한 영화 ‘콘택트’나 ‘이벤트 호라이즌’
‘혹성 탈출’ 등 웜홀이론을 바탕에 깐 작품들은 이전에도 있었다. 그러고 보면 ‘잠깐 눈 붙였다 일어나니 안드로메다
은하더라’는 말도 곧 실현될지 모른다. 시간을 극복하는 게 인간에게 복이 될지 독이 될지는 전혀 다른 차원이지만.
○다른 시공간 잇는 우주 지름길 '웜홀', 아직 발견 안돼
갈수록 산소가 줄어들어 더 이상 인류가 살 수 없게 된 지구. 때마침 토성 근처에서 웜홀(다른 시공간을 잇는 우주구멍)이 발견된다. 지난주 개봉한 영화 ‘인터스텔라(Interstellar)’는 새로운 터전을 찾기 위해 웜홀을 타고 심(深)우주로 떠나는 탐험가들의 이야기를 그렸다. 이론을 발표한 저명한 물리학자 킵 손 미국 캘리포니아공대 교수가 직접 시나리오 작업에 참여했다는 사실까지 더해져 어느 누구도 비과학적이라고 ‘태클’을 걸지 않고 있다. 그럼에도 불구하고 과학적 사실과 영화적 상상력을 넘나드는 ‘인터스텔라’에는 비과학적인 ‘옥에 티’가 있다. ○ 웜홀 존재 아직 발견 안 돼 빛까지 삼켜버리는 강력한 중력 때문에 까맣고 어두워 눈으로 볼 수 없을 것으로 여겨졌던 블랙홀은 영화에서 신비롭게 빛나는 공처럼 묘사된다. 김상욱 부산대 물리교육과 교수는 “밝은 빛을 내뿜는 블랙홀의 모습은 매우 사실적”이라며 “중력렌즈 효과 때문에 블랙홀 뒤편의 별빛이 모여 마치 블랙홀이 빛나는 것처럼 보인다”고 설명했다. 중력렌즈 효과는 중력 때문에 빛이 직진하지 못하고 굴절하는 현상을 말한다. 블랙홀 중심부를 가로지르는 빛나는 띠도 물질이 블랙홀에 빨려 들어가는 과정에서 나타날 수 있다.
손 교수는 1988년 회전하는 거대 블랙홀이 존재하면 웜홀을 통해 우주여행이 가능하다고 주장했다. 김 교수는 “손 교수의 가설에 등장하는 웜홀은 우주에서 아직 발견되지 않았다”며 “물리학적으로 검증된 바 없는 웜홀이 영화를 이끌어가는 핵심 장치라는 건 근본적인 옥에 티”라고 말했다.
3시간 정도 머문 뒤 우주선으로 돌아온다. 그런데 우주선에서의 시간은 이미 20년이 훌쩍 지난 뒤였다.
송용선 한국천문연구원 선임연구원은 “블랙홀의 표면에 있다고 생각되는 ‘사건의 지평선(Event Horizon)’에서는 탈출 속도와 빛의 속도가 같다”면서 “블랙홀 바깥에서 사건의 지평선을 보면 시간이 멈춰 있는 것처럼 보인다”고 말했다.
이겨내고 원하는 경로로 움직이기 위해서는 우주선에 엄청난 에너지가 필요하다.
묘사되는 수준의 비행이 가능할 정도라면 부족한 산소를 늘리고 열악한 환경을 복구하는 등 지구를 구하는 데 이 에너지를 쓰는 게 더 현실적”이라고 말했다.
설명할 수 없는 대폭발(빅뱅) 직전의 우주를 설명할 수 있다. 영화에서 주인공들은 블랙홀을 지나며 “저 안(블랙홀)에 그 답이 있다”고 말한다. 이에 대해 송 연구원은 “블랙홀 내부는 빅뱅 직전의 순간과 닮았을 것으로 추정되는 만큼 내부 상태를 안다면 통일장이론에 대한 답을 얻을 수 있다”고 밝혔다.
일단 들어가면 아무것도 나올 수 없는 블랙홀에서 정보를 전송한다는 건 불가능하다. 유일한 가능성은 중력이다. 영화에서도 중력을 이용해 정보를 보낸다. 김 교수는 “블랙홀 안에서 중력을 자유자재로 조종하는 설정은 허구”라며 “통일장이론을 완성한다고 해도 이것으로 인해 인류의 삶이 드라마틱하게 바뀌는 일도 없을 것”이라고 말했다.
○밀러 행성 1시간이 지구의 7년?…비밀은 重力
관객 500만명 흥행돌풍 “중력 방정식을 풀어야 인류를 구할 수 있어.” 영화 속 중력은 단순히 사과가 나무에서 떨어지게 하는 힘만이 아니다. 시간을 천천히 흐르게 하고, 공간을 휘게 만든다. 알베르트 아인슈타인이 1916년 발표한 ‘일반 상대성 이론’이 그리는 세계다.
가 되고 있다. 영화 제작에 깊이 관여한 킵 손 미국 캘리포니아공대 교수는 칼 세이건이 1985년 ‘콘택트’를 집필할 때도 조언해준 이론물리학자다. 인터스텔라로 일반인도 관심이 커진 웜홀과 블랙홀 등 영화에 등장하는 과학지식을 정리한다.
8일을 허비했다. 밀러 행성에서의 1시간은 지구 시간으로 7년에 해당하기 때문이다. 아인슈타인이 1905년 발표한 ‘특수 상대성 이론’은 빛의 속도에 가까워질수록 시간이 천천히 흐른다고 했다. 우주 어디에서나 시간은 똑같이 흐를 것이라는 절대시간이란 개념을 깨부순 것이다. 더 나아가 그는 일반 상대성 이론에서 중력이 강한 곳에서도 시간이 천천히 흐른다고 말했다.
밀러 행성은 초거대 블랙홀인 ‘가르강튀아’ 주변을 가깝게 도는 행성 이기 때문에 시간이 지구보다 6만배 이상 천천히 흐른다. ‘중력에 따른 시간 지연’ 현상은 지구에서도 나타난다. 지구 궤도를 도는 위성 항법장치(GPS) 위성은 지표면보다 중력을 덜 받기 때문에 지구의 수신기와 시간 차이가 날 수밖에 없다. 이 때문에 상대성 이론에 근거한 계산으로 이를 보정해야 한다.
하다. 가르강튀아는 질량이 태양의 1억배에 달하며, 크기는 태양에서 지구 거리만큼 크다. 블랙홀이란 이름은 빛과 온도를 내보내지 않아 눈으로 보이지 않는다는 개념에서 따왔지만 영화 속에선 밝게 빛난 다.
가스는 블랙홀로 빨려들어가면서 거의 광속에 가깝게 가속하고, 마찰열을 내면서 태양처럼 뜨겁게 타오른다. ‘강착 원반’이라 불리는 가르강튀아의 빛나는 고리가 바로 그것이다.
준다. 일반 상대성 이론은 물질이 공간을 휘게 만들며, 공간이 휘어 진 정도가 중력이라고 봤다. 가르강튀아 뒤에서 오는 별들의 빛은 휘어진 공간을 따라 구부러져 관찰자의 눈앞에 도달하면서 가르강 튀아를 감싸는 고리를 형성한다.
사건의 지평선은 블랙홀 탈출 여부를 가르는 경계로, 한 번 이 안에 들어가면 다시는 빠져나올 수 없다. 블랙홀 중력의 원천인 ‘특이점’에 대한 정보를 얻지 못하는 것도 사건의 지평선 안에서 벌어지는 일이기 때문이다.
있었다. 빛의 속도로 100억년을 달려야 도착할 수 있는 곳을 몇 시간 만에 갈 수 있어 SF 영화에서 단골로 나오는 소재다. 영화에선 구부린 종이를 연필로 뚫어 웜홀을 설명했다.
많다. 우선 크기가 매우 작기 때문에 양자역학 수준의 아주 작은 입자들만 통과할 수 있다. 또한 매우 불안정해 구멍이 언제 사라질 지 모르며, 어떤 곳으로 통할지도 알 수 없다. |
