시간과 공간, 무한대와 무한소를 만화로 보다

인피니티 - 만화로 배우는 우주와 블랙홀의 비밀 ㅣ 한빛비즈 교양툰 17
로랑 셰페르 지음, 이정은 옮김, 과포화된 과학드립 물리학 연구회 감수 / 한빛비즈 / 2022년 6월

어렸을 때는 밤하늘에서 별자리를 찾아볼 기회가 많았던 것 같습니다. 지금처럼 휘황한 불빛도 많지 않았기 때문입니다. 지금은 밤하늘을 바라볼 기회가 많지는 않습니다만, 어렸을 적의 별을 따라 뻗어가던 우주에 대한 관심 때문인지 천체물리학에 대한 호기심을 여전한 편입니다.

스위스 언론인 로랑 셰페르가 그림과 글을 쓴 <인피니티>는 ‘만화로 배우는 우주와 블랙홀의 비밀’이라는 부제에서 알 수 있는 것처럼 무한대한 우주와 무한소인 양자의 세계를 만화로 설명하는 책입니다. 만화 역시 어렸을 적 탐닉하던 읽을 거리였다는 점에서 익숙한 까닭에 어렵게 느껴지는 천체물리학과 양자역학을 이해하는데 도움이 된 책읽기였습니다.

만화는 ‘시간을 과거, 현재, 미래로 구분하는 일은 아무 의미가 없어 보인다’라는 이론물리학자 폴 데이비스의 말을 인용하면서 ‘우주는 지금 몇 시일까’라는 제목으로 시간의 동시성을 설명하기 시작합니다. 우리나라는 북한 일본 등과 함께 동경 135도를 기준으로 한 표준시를 적용하고 있습니다. 태양이 동경 135도에 남중할 때를 낮 12시로 정한 것입니다. 이처럼 지구상의 국가들은 지역에 따라서 표준시를 정하고 있습니다. 미국처럼 땅이 넓은 나라는 태평양, 마운틴, 중부, 동부 등 본토에 적용하는 4개의 지역별 시간대가 다르고, 여기에 하와이와 알래스카 등에 적용되는 지역 시간대까지 더하면 모두 6개의 지역별 시간대가 다릅니다. 지역별 시간대는 영국 그리니치 천문대를 기준으로 한 협정세계시에 그리니치 천문대로부터 떨어진 거리에 따라 조정하여 정하게 됩니다.

협정세계시를 지구의 모든 지역에 동일하게 적용하면 지구 상 어느 곳에서나 동일한 시간이 될까요? 정답은 ‘아니다’입니다. 움직이는 공간에서의 시간은 이동 속도에 따라 시간이 느리게 흘러가는 것입니다. 시간이 흐르는 속도는 공간이 움직이는 속도와 연계되어 있기 때문입니다.

만화는 시간의 상대성으로부터 우주의 생성에 관한 이야기로 넘어갑니다. 밤하늘에서 반짝이는 별은 별빛이 우리의 눈에 들어오기까지 먼 거리를 달려와야 합니다. 따라서 별이 지구로부터 떨어진 거리를 빛의 속도로 나누어준 시간만큼 과거에 별을 떠난 빛을 보게 되는 셈입니다.

학생 때 도플러효과를 배웠던 기억이 있습니다. 다가오는 물체가 내는 소리가 증폭이 되다가 멀어지면서는 약해지는 현상을 말하는데, 물체가 내는 빛도 도플러효과에 따라서 이동속도에 따라서 붉은색 쪽으로 몰리게 된다고 알고 있습니다. 이런 현상을 이용하여 우주가 빅뱅이라는 순간에 탄생하여 지금까지 확산되고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 어디까지 확산될까요? 그것은 아직 알 수 없는 노릇입니다.

우주 탄생의 비밀을 설명한 다음에는 무한소를 향한 양자의 세계를 설명합니다. 세상의 모든 물질이 양자와 중성자 그리고 전자로 구성된 원소들로 구성된 다양한 형태의 원자로 구성되었습니다. 학생 때는 여기까지 배웠던 것인데, 몇 십년이 흐르면서 원자를 구성하는 요소에 여러 종류의 미립자가 더해졌습니다. 우주가 무한대를 지향하고 있는 것처럼 원자의 세계는 무한소를 지향하고 있는 셈입니다.

그런데 세상의 모든 물질이 원자로 구성되었다는 생각은 기원전에 살던 그리스 사람들로부터 시작되었다는 사실을 놀랍기만 합니다. 양자역학 분야는 학생 때는 배우지 못한 새로운 학문이라서 아무래도 이해하는 것이 쉽지가 않습니다. 그래도 만화와 곁들여진 설명을 읽다보면 알 듯 해지는 것을 보면 만화가 가지는 설명력이 아닐까 싶습니다.

‘우주와 진공의 신비를 익살스럽게 벗겨내는 교양 만화’라는 저널 <라 브로예>의 한줄 평이 이 책의 성격을 제대로 나타냈다는 생각을 해보았습니다.