[서평] 잠 못들 정도로 재미있는 이야기 상대성 이론 / 오미야 노부미쓰 지음

상대성 이론 ㅣ 그림으로 읽는 잠 못들 정도로 재미있는 이야기
오미야 노부미쓰 지음, 조헌국.이영란 옮김 / 성안당 / 2020년 5월

알버튼 아인슈타인이 발표한 상대성 이론. 이 상대성 이론에 대해 들어본 적이 있는가?

상대성 이론에 대해 다룬 대표적인 영화가 있다면

바로 영화 인터스텔라 일 것이다. 영화 인터스텔라에서는 지구에서 보내는 시간과 우주에서 보내는 시간은 절대적으로 같지 않다. 우주에서의 시간과 지구에서의 시간은 다르게 흘러간다는 상대성 이론을 보여준 영화이다.

사실 아인슈타인이 발표한 상대성이론은 '시간과 공간은 상대적이다'라는 것보다는 물리법칙은 언제, 어디서나 동일하게 적용된다는 이론에 가깝다고 한다.

그렇다면 영화 인터스텔라와 같이 우주선을 타고 은하 여행이 가능한 것일까? 도서 잠 못 들 정도로 재미있는 이야기 상대성 이론 편을 보면 그것이 가능하다는 가설을 세운다. 은하계에는 수소 가스와 같은 성간물질(성간물질이 무엇이냐? 그냥 별들 사이를 가득 메우고 있는 물질이라고 생각하면 된다.)로 채워져있는데 이 성간 물질을 흡수하여 핵 융합로에서 에너지로 변환시키고 변환 후 남은 물질들을 분사 물질로 만들어 분사함으로써 우주선의 추진력을 높이는데 사용하면 지구 표면상의 중력을 이용해 우주선의 속도를 높일 수 있다는 가설이었다. 학교 교과서로 배우기를 인간이 우주여행을 하기 위해서 소요되는 시간들이 어마 무시하다는 것을 배운 적이 있을 것이다. 하지만 위에 원리대로라면 우주의 끝까지도 우리는 은하 여행이 가능할 것이라고 이야기한다. 영화 ' 2001 : 스페이스 오디세이 '의 한 장면처럼 말이다.

근데 책 읽다 보니 이론과 같이 쉬운 일은 아니다. 왜냐 우주선의 가속도를 높이기 위해 사용되는 우주 에너지는 은하계의 성간물질인데 이 성간물질이 매 순간 같은 비율로 존재하는 가? 역시 문제가 되지 않을까 싶다. 성간 물질을 갖고 있는 물질이나 빛이 갖고 있는 에너지가 모든 장소의 중력 분포 상태가 동일하다는 전제로 이론을 세운 것이다.

우주의 시공간은 인간의 시간과는 달라 에너지의 속도를 매 순간 에너지의 운동 속도보다 빠르게 측정하여야 위험에 대비할 수 있을 것이다. 중력장에 의해 뒤틀린 시공간을 파악할 기하학을 찾을 수 있다면 조금 문제는 나아질 수도 있을지 모르겠지만 말이다.

중력장에서는 시공간이 뒤틀린다.

태양이 존재하는 중력장에서는 공간이 뒤틀리고 광선은 직진할 수 없다고 한다. 이는 빛은 중력에 의해 휘어진다는 상대성이론과 연관되어 있는 문제인데.. 자유낙하에 의한 (우주 공간과 같이) 무중력 상태에서는 빛이 직진을 하지만, 중력장에서는 빛이 수평으로 직진하지 않고 조금 휘어져서 낙하한다고 한다.

도서에서 떨어지는 엘리베이터를 통해 예를 들었는데 자유낙하를 하고 있는 엘리베이터 안에 사람이 타 있다고 가정을 해보자. 이 엘리베이터는 조금 특별하게 창문이 나있어 엘리베이터로 빛이 들어온다. 이 엘리베이터 안에 타고 있는 사람에게 있어 이 빛은 무중력 상태에서 직진을 하지만 이 모습을 밖에 지표면에 서서 보고 있는 사람의 눈에는 빛이 수평으로 직진하지 않고 조금 휘어져서 낙하한다고 한다. 왜냐하면 광속은 무한대가 아니고 또한 빛이 창문으로 들어가 반대편 벽에 도달할 때까지 시간이 걸리기 때문에 낙하하는 엘리베이터를 지표면에서 바라보게 된다면 빛은 조금 휘어져서 낙하하는 것이 보이게 된다고 한다. 나는 종종 영화의 도입부에서 태양에서 지구까지 도달하는 빛을 표현하는 영상이 나오는 것을 볼 때가 있다. 이때 태양에서 지구에 도달하는 빛이 일직선이 아닌 조금 휘어진 사선으로 지구를 골고루 비치는 장면을 볼 수 있다. 이 또한 지구의 중력장에 빛이 도달하면서 휘어지는 원리를 나타낸 것인가 생각이 든다. 다만 빛이 휘어지는 원리가 정말 중력장에 의한 것일까 아니면 지구를 둘러싸고 있는 또 다른 아직 발견하지 못한 물질들의 조합으로 휘어지는 걸까 의문이 든다.

도서 잠 못 들 정도로 재미있는 이야기 상대성 이론은 영화 인터스텔라를 재밌게 보셨거나 물리학에 관심을 갖고 계신 분들에게 재밌는 공상의 재료들을 가져다줄 듯하다. 다만 과학의 재미를 붙이기 위해 처음 시작하는 과학 도서로 시작하신다면 조금 난이도가 있다고 보인다. 읽다 보니.. 일론 머스크가 새삼 대단하다라는 생각이 절로 든다..