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학습자료/과학

인터스텔라에 감춰진 비밀?

대한민국 교육부 2015. 11. 3. 13:42

인터스텔라에

감춰진 비밀?



■ 아인슈타인의 일반 상대성 이론: 시간은 상대적이다

현대의 과학 기술로 어느 정도의 우주 탐사가 가능할까요? 영화 ‘인터스텔라’는 인간의 잘못으로 인해 황폐해진 지구를 대신하여 생명체가 살 수 있는 새로운 행성을 탐사하는 과정을 그린 영화입니다. 주인공 쿠퍼는 전직 NASA 조종사로 탐험 정신이 매우 투철한 사람입니다. 그는 해체된 NASA가 비밀리에 연구하고 있었던 생명체가 살 수 있는 새로운 행성을 찾는 임무를 맡게 되고 이를 수행하기 위해 가족과 이별하고 우주 탐사를 떠나게 됩니다. 이 영화는 미국의 이론 물리학자 킵 손(Kip Thorne, 1940~)이 참여하여 현재까지 밝혀진 과학 이론에 근거하여 제작되었다고 합니다. 따라서 공상 과학 영화와 같이 터무니없는 것이 아니라 충분히 실현 가능성이 있는 영화라고 할 수 있지요. 만약 우리가 이 영화의 주인공과 같이 우주 탐사를 떠난다면 어떤 일을 겪게 될까요?


우주는 그 끝을 알 수 없을 정도로 광활합니다. 이러한 우주를 탐사하려면 먼 거리를 빠른 시간 안에 이동할 수 있어야겠지요? 고속도로에서 시간당 100km로 달리는 것으로는 턱없이 부족합니다. 세상에서 가장 빠른 물질인 ‘빛’만큼 빨리 달리더라도 지구에서 가장 가까운 빛나는 별인 태양까지 8분이 넘게 걸리니까요. 한편 우주 탐사를 하다 보면 재미난 일이 벌어집니다. 영화 ‘인터스텔라’에 나오는 인물들 사이에 시간이 다르게 흘러간 것처럼 우리가 우주 탐사를 떠난다면 우주를 여행하는 동안 우리가 느끼는 시간의 흐름과 지구에서 우리를 기다리는 가족들이 느끼는 시간의 흐름은 차이가 생깁니다. 이는 아인슈타인에 의해 발표된 ‘시간은 상대적이다’는 일반 상대성 이론에서 처음 제시되었습니다.


▲ 최고의 물리학자, 아인슈타인(1879~1955)(출처: 에듀넷)


이 이론은 우리가 생각하는 시간과 공간에 대한 개념을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 우리가 만약 횡단보도 앞에서 신호를 기다리고 있다면 움직이지 않았기 때문에 공간적으로 이동은 없었지만 시간은 계속해서 흘러갔다고 할 수 있습니다. 그런데 거꾸로 시간은 전혀 흐르지 않는 동안 공간의 이동만 일어났다면 어떻게 될까요? 이런 상황이 존재할까요? 상대성 이론에서는 이 시간과 공간의 총량은 같으며 공간의 운동이 점차 빨라진다면 시간의 운동은 점차 느려지게 된다고 봅니다. 즉, 어떤 물체의 속도가 빨라질수록 그만큼 시간은 상대적으로 느리게 흘러간다는 것이지요. 그렇다면 우리가 알고 있는 물체 중에서 가장 빠른 것은 무엇인가요? 바로 빛입니다. 그러므로 빛의 속도로 움직이는 물체가 있다면 그 물체에게는 시간의 흐름이 정지하게 됩니다.



■ 사과를 아래로 떨어뜨릴 뿐만 아니라 시공간까지도 뒤틀리게 하는 중력

영화 ‘인터스텔라’에서 쿠퍼는 우주 탐사를 통해 주어진 임무를 마치고 돌아오게 됩니다. 이때 자신보다 훨씬 나이가 많이 들어 죽음을 앞둔 딸과 만나게 됩니다. 어떻게 이런 일이 일어날 수 있을까요?


▲ 우주 탐사를 다녀온 후 자신보다 늙은 딸을 만는 인터스텔라 주인공(출처: 에듀넷)


이것을 알기 위해서도 역시 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대해 다시 살펴볼 필요가 있습니다. 시공간은 중력에 의해 휘어지고 왜곡되는데 중력이 커질수록 이 현상은 더 심해집니다. 이에 따라 물체의 운동 속도가 점차 빨라지게 되고, 이렇게 되면 앞서 말한 것처럼 시간이 느리게 가게 되는 것입니다.


예를 들면 얇은 고무판 위에 공을 하나 올리면 공의 무게 때문에 고무판이 움푹 파이게 됩니다. 공의 무게는 중력과 같습니다. 또한 중력에 의해 움푹 파인 부분은 ‘휘어진 공간’이라고 말합니다. 즉 고무판이 공의 무게에 의해 움푹 파이듯이, 우주에서의 공간은 중력에 의해 휘어집니다. 중력이 큰 곳은 많이 휘어지게 되겠지요. 여기에 작은 구슬을 올리면 어떻게 될까요? 구슬이 ‘휘어진 공간’에 가까워지면 공 주위를 돌게 됩니다. 만약 더 무거운 공이었다면 고무판은 더 많이 파일 것이고 구슬은 더 빨리 돌게 될 것입니다. 이는 중력의 크기가 커지면 공간이 많이 휘어지고 물체의 속도가 증가한다는 것을 보여줍니다. 결론적으로 중력이 커지면 속도가 증가하기 때문에 앞서 설명한 것처럼 속도가 커지게 되어 시간이 느리게 가는 것입니다.


▲ 중력에 의해 왜곡되는 시공간(출처: 에듀넷)


우리가 우주 탐사를 하는 동안 중력에 의해 시공간이 뒤틀리는 경험을 한다면 지구에 살고 있는 사람들보다 시간이 느리게 흐른다고 할 수 있습니다. 이는 우리가 탐사하는 동안 방문하는 은하, 행성의 중력에 따라 달라지는데 그곳의 중력이 지구보다 훨씬 강하다면 은하나 행성의 시간은 지구보다 느리게 가게 되는 것이지요.



■ 시간 여행이 가능한 통로: 웜홀(Worm Hole)

광대한 우주에는 우리가 알지 못하는 ‘비밀통로’가 있다고 합니다. 아주 먼 거리를 순식간에 이동할 수 있게 해주는 통로이지요. 이를 사과를 파먹는 벌레의 구멍 같다고 하여 웜홀이라 하는데, 웜홀은 우주의 한 지점에서 아주 멀리 떨어진 다른 지점으로 이동할 수 있는 ‘지름길’이라고 할 수 있습니다. 이는 위에서 말할 것처럼 중력에 의해 공간이 뒤틀리고 왜곡될 수 있다면 공간을 찢거나 구부리는 것도 가능할 것이라는 생각에서 나온 것입니다.


▲ 우주 공간 사이의 구멍, 웜홀(Worm Hole)(출처: 에듀넷)


웜홀을 이해하기 위해 간단한 실험을 해 봅시다. 다음의 실험에서 실제 점 A와 점 B 사이의 거리는 20cm입니다. 하지만 종이를 휘어서 두 점을 만나게 하면 거리는 0이 됩니다. 이처럼 멀리 떨어진 두 지점이 시공간의 뒤틀림으로 인해 순식간에 이동할 수 있는 웜홀이 생기게 되는 것입니다.


▲ 실험을 통해 이해하는 웜홀(Worm Hole)의 원리(출처: 에듀넷)


이렇듯 광활한 우주를 여행할 수 있는 타임머신은 바로 웜홀이며 인공적으로 웜홀을 만드는 연구, 웜홀 내에서 인간을 안전하게 보호할 수 있는 우주선과 우주복을 개발하는 연구 등은 지금도 계속되고 있습니다.



[자료출처: 에듀넷]




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