영화 인터스텔라의 과학이론 - 상대성 이론, 블랙홀, 웜홀 등

영화 인터스텔라의 과학이론 - 상대성 이론, 블랙홀, 웜홀 등

지난 11월 6일 개봉한 영화 '인터스텔라'가 개봉 후 2주가 되어가는 지금까지 여전히 식을 줄 모르는 인기를 자랑하고 있습니다. 우주를 기본 배경으로 일반인들에게는 다소 생소하고 어려울 수 있는 여러 과학 이론들이 등장한 SF영화라는 점에서 이러한 인기는 더욱 눈여겨볼 만한데요.

 

크리스토퍼 놀란 감독의 신작으로 전 세계적으로도 뜨거운 주목을 받고 있는 영화 인터스텔라!

오늘 포스팅에서는 영화 인터스텔라에 등장한 과학이론에 대해 알아보려고 합니다.

 

크게 상대성 이론, 블랙홀, 웜홀 총 세 가지를 알기 쉽게 소개해 드릴 테니,

인터스텔라를 아직 보지 않으신 분들도 알아두고 가시면 좋을 것 같네요~ ^^

 

 

 대신 Balance 핵심정리 

• 인터스텔라(Interstellar)의 뜻: '항성(恒星) 간의', '성(星) 간의' 라는 의미

• 일반 상대성 이론: 20세기 초 아인슈타인이 발표한 과학이론

중력과 시공간이 핵심으로, '중력은 빛을 휘게 하며 나아가 시간을 늦춘다'는 개념

• 블랙홀: 별이 극단적인 수축을 일으켜 밀도가 매우 증가하고 중력이 굉장히 커진 천체를 의미. 물질이 극   단적으로 수축하면 그 안은 빛을 포함한 그 어떤 것도 탈출하지 못할 만큼 강해짐

• 웜홀: 이어진 두 블랙홀이 낳은 시공간의 좁은 통로로, 이론상 먼 행성 간의 지름길 역할 가능

 

 영화 인터스텔라 줄거리 

인류의 새로운 터전을 찾아 미지의 우주로 탐험을 떠나다

가까운 미래, 각종 농작물이 병충해 등의 요인으로 하나씩 사라져가고 지구는 전인류적인 식량부족 사태에 직면하게 됩니다. 모두가 먹고 사는 문제에 급급해지며 NASA(미 항공 우주국) 또한 경제적인 이유로 해체됩니다.

 

NASA 해체 후 평범한 농부로서의 삶을 살아가던 전 NASA 우주선 조종사 '쿠퍼'는 우연히 딸 '머피'의 방에서 일어나는 기이한 현상들을 발견하게 되는데요. 이를 통해 해체된 줄로만 알았던 NASA의 비밀스러운 본거지를 찾아냅니다.

 

인류의 종말을 예고하는 지구를 떠나 인류의 새로운 터전을 발견하기 위한 임무를 짊어진 주인공 '쿠퍼'! 사랑하는 가족들을 살리기 위해 일말의 희망을 품고 NASA의 탐사대원들과 함께 돌아올 날을 기약할 수 없는 광활한 우주로 탐험을 떠나게 됩니다.

  

 

 인터스텔라(interstellar)의 뜻 

인터스텔라를 관람한 많은 관객들이 극장을 나서며 던지는 수많은 질문 중 하나가 바로 "인터스텔라는 도대체 무슨 뜻이지?"일 것 같은 데요.

 

인터스텔라(Interstellar)를 'between the stars'라는 의미를 가진 형용사로 해석하면 '항성(恒星) 간의', '성(星) 간의'라는 의미를 가지는 단어입니다. 별과 별 사이를 탐험하며 인류의 새로운 터전을 찾는 영화의 기본 줄거리를 한 마디로 함축하고 있는 단어라고 볼 수 있겠죠.

 

 인터스텔라의 뼈대, 상대성 이론 

잘 알려진 것처럼 인터스텔라는 '상대성 이론'에 기반한 영화입니다. 상대성 이론은 세계적인 천재 물리학자 알버트 아인슈타인이 광속 불변의 원리를 전제로 발표한 이론으로 크게 일반 상대성 이론과 특수 상대성 이론으로 나뉘어지는데요.

 

인터스텔라에서 활용된 일반 상대성 이론은 강한 중력장 속에서는 시간이 늦게 흐르며, 이로 인해 시간은 공간에 따라 다르게 작용할 수 있다는 것이었습니다. 상대성 이론을 이해하기 위해서는 이를 구성하는 핵심 키워드인 '중력'과 '시공간'을 먼저 이해하는 것이 필요합니다.

 

 

상대성 이론 핵심 키워드 - 중력

흔히 '지구가 우리를 끌어당기는 힘'으로 알려져 있는 중력은 정확히는 지구의 만유인력과 자전에 의한 원심력을 합한 힘을 말합니다. 영국의 물리학자 아이작 뉴턴이 사과가 떨어지는 모습을 보고 이 중력을 발견했다는 이야기는 이미 널리 알려져 있죠.

 

20세기 초 아인슈타인이 발표한 일반 상대성 이론은 중력에 대한 기존 개념을 완전히 바꾸어 놓게 됩니다. 일반 상대성 이론에 의하면 중력이란 기존 개념처럼 우주 전체에 펼쳐진 독립적인 힘이 아닌 휘어진 시공간이 발생시키는 부수적인 효과라는 것이었는데요.

 

예를 들어 침대 위에 공을 올려놓으면 침대 위 표면은 공의 무게에 눌려 일그러집니다. 여기에 공을 한 개 더 올려놓으면 침대의 표면은 더욱 일그러지고 이에 따라 두 공은 서로 끌어당겨져 달라붙게 됩니다.

 

아인슈타인은 이와 같이 두 공이 서로 끌어당기는 움직임을 낳는 평면의 일그러짐이 중력의 정체라고 생각했던 것이죠.

 

출처: [기사] 인터스텔라에 대한민국은 왜 열광하는가 (미디어 오늘, 2014.11.18)

[도서] 그림으로 보는 상대성 이론 (상상의집, 2014)

 

상대성 이론 핵심 키워드 - 시공간

일반 상대성 이론을 이루는 또 다른 핵심 키워드 '시공간'을 이해하기 위해서는 상대성 이론의 핵심 중 하나인 '시간은 물체의 운동에 따라 다르게 흐른다'라는 명제로부터 출발해야 합니다.

 

예를 들어 자전거를 타고 50미터 앞으로 이동한다고 했을 때, 50미터라는 공간 상의 이동과 동시에 10여 초라는 시간 상의 이동도 함께 일어나게 됩니다. 즉, '미래로 이동을 했다'라고 볼 수 있는 것이죠.

 

이러한 논리에 따르면 우리는 4차원의 '시공간'에 살고 있는 것이 됩니다.

입체로 된 3차원의 공간과 1차원의 시간 속에서 살고 있기 때문이지요.

 

자전거로 다시 예를 들면, 정지해 있는 자전거는 시간 만을 따라 이동합니다. 그러나 자전거가 움직이는 순간, 이 자전거는 시간을 따라 이동하던 운동의 일부를 공간 상의 이동에 할애하게 되고 시간 상에서 이동하던 속도는 줄어들게 됩니다. 정확히는 시간이 '느리게' 흐르게 되는 것이죠.

 

외계 행성의 1시간이 지구 시간으로 7년이 되는 설정이나, 중력을 통해 시공간을 초월한 메시지를 보내는 것과 같은 영화 속 장면들은 모두 '중력이 시공간을 왜곡시킨다'는 상대성 이론에 기반하여 탄생한 장면들인 것입니다.

 

이러한 혁신적인 이론을 실제 세계가 아닌 머리 속에서 이루어지는 사고(思考) 실험 만을 통해 만들어 낸 아인슈타인이 다시 한 번 대단하게 느껴지네요~!

 

 

 미지의 구멍(hole), 블랙홀과 웜홀 

인터스텔라에 등장하는 또 다른 과학적 배경으로는 블랙홀과 웜홀이 있습니다.

모두 상대성 이론에서 파생된 것으로, 영화 내에서 시간 여행이 가능해지는 근거가 됩니다.

 

블랙홀, 만유인력의 법칙에서 출발

먼저 블랙홀은 포스팅 앞 부분에 잠깐 등장했던 만유인력의 법칙과 긴밀한 연관이 있습니다.

만유인력의 법칙이란, 질량이 있는 모든 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 작용한다는 이론인데요. 여기서 지구가 물체를 끌어당기는 힘을 중력이라고 합니다.

 

이러한 이론에 따르면 지구에서 중력보다 더 큰 속도로 물체를 던질 경우 그 물체는 지구를 벗어날 수 있게 됩니다. 이를 뒤집어 생각하면 빛의 속도보다 큰 중력을 가진 천체가 존재한다면 빛 조차 벗어날 수 없게 되는 것이죠. 블랙홀은 이 같은 상상에서 출발했습니다.

 

빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀

블랙홀의 사전적 의미는 '별이 극단적인 수축을 일으켜 밀도가 매우 증가하고 중력이 굉장히 커진 천체'입니다. 이론적으로는 빛을 포함한 어떤 것도 탈출하지 못할 만큼 강한 존재인데요.

 

예전에는 그 존재 여부에 대해서 확신하지 못했으나 시간이 흘러 현대에 들어서는 보다 거대한 천체망원경이 개발되면서 여러 은하의 중심에서 태양보다 훨씬 무거운 블랙홀이 여러 개 존재한다는 사실이 확실하게 밝혀지게 됩니다.

 

출처: movie deep, 인터스텔라 블랙홀 제작과정

  

'이어진 두 개의 블랙홀', 웜홀

영화 인터스텔라에서는 '웜홀'이라는 통로를 이용하여 태양계에서 또 다른 은하계로 불과 얼마 안

되는 짧은 시간 만에 이동하는 장면이 등장합니다. 앞선 설명에서 블랙홀을 이해했다면 웜홀을 이해하는 것 또한 그리 어렵지 않은데요.

 

웜홀은 중력으로 인해 시공간이 휘어지면서 형성이 된 것이랍니다. 즉, '이어진 두 개의 블랙홀'이라고 할 수 있죠. 이는 사과 위의 벌레가 반대편으로 가기 위해 사과 표면을 돌아가는 것보다 사과 속 벌레구멍을 통해 가는 것이 빠른 논리인데요. 웜홀(worm hole)이라는 명칭도 여기에서 비롯된 것입니다.

 

우주 공간의 지름길, 미래로 여행 가능

웜홀은 이어진 두 블랙홀이 생성해 낸 시공간의 좁은 통로를 의미하며, 이론상으로는 웜홀을 통할 경우 먼 행성간의 거리를 실제보다 훨씬 짧은 시간 안에 도달할 수 있습니다.

 

주인공이 반으로 접은 종이의 양 끝을 펜으로 동시에 관통시켜 시공간의 뒤틀림 및 초월을 설명하는 장면이 바로 이러한 이론을 바탕으로 한 것이었죠.

출처: 과학창의재단, [네이버 캐스트] 블랙홀 (박석재 전 천문연구원장)

 

지금까지 상대성 이론을 비롯해 블랙홀, 웜홀 등 영화 인터스텔라에 등장하는 주요 과학 이론에 대해 간단하게 살펴봤는데요.

'아는 만큼 보인다'라는 말이 있듯, 앞으로 이렇게 과학이론이 등장하는 SF영화를 접할 때에는 한 번쯤 '예습'을 하고 극장에 가 보는 것도 영화를 더욱 깊이 있고 흥미롭게 즐길 수 있는 방법이 될 수 있지 않을까 합니다. ^^

 

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