영화 ˝인터스텔라˝를 더 재미있게 볼 수 있는 과학 교양서

상대성 이론이란 무엇인가? - 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2020년 5월

상대성 이론을 처음 접한 것은 중학교 1학년 주말마다 교보문고 가서 읽지도 않을 책을 사 모으던 시절이다. 

중2병들의 장래희망은 지금은 연예인, 유튜브겠지만 오래 전에는 과학자가 1등이고, 주요 사유를 인터뷰한다면 ①거대로봇의 제조 ②천문학에 대한 동경(우주비행사가 과학자 범주로 들어감) ③엑스 파일 같은 초현실과학에 대한 관심 뭐 이런 것들이 많았다.

과학자 = 수학 엄청 잘해야 함, 물리학, 천문학 = 수학의 연속, 기계공학 = 공학수학은 또 뭐야!

이런 공식을 몰랐던 시절이고 ③에 재미 들이던 시절이라 과학서적 코너에서 4차원의 미스테리를 풀어보고자 집어 든 책이 일본책을 번역한 전파과학사의 "4차원의 세계"란 책이다.

일본스러운 작화와 도판으로 나름 중학생임에도 대략적인 내용을 알 수 있을 정도로 설명이 잘 된 도서였다. 위의 표지에도 공간의 왜곡에 대해 아주 쉽게 알려주고 있다.

오늘 소개하는 직설적인 제목의 책 "상대성 이론이란 무엇인가"는 아마 위에 소개한 책과 더불어 상대성 이론에 대해 최대한 쉽게 설명한 몇 안되는 도서일 것이다.

과학자들까지 동원해 현실성 있는 SF 우주 드라마를 선보였던 영화 "인터스텔라"를 통해 흥미롭게 지켜보았던 블랙홀의 실제 모습과 우주비행에서 일어나는 시간의 왜곡에 대한 과학적 근거와 이론을 배울 수 있는 기회다. 특히 블랙홀의 실제 촬영으로 일반인들의 과학적 호기심이 증가한 부분은 책 읽기에 시의적절한 선택이 될 것이다. 블랙홀과 상대성 이론에 대해 약간은 가벼운 마음으로 책장을 넘길 수 있다.

이 책은 기존의 책들이 설명하는 내용을 좀 더 쉽게 설명하기 위해 노력한다. 예를 들어 기존의 책에는 "빛보다 빠른 물질은 없다"라고 정의를 내리는데 제프리 베네트는 "빛을 추월할 수 있는 것은 없다."라고 설명한다. 그게 그거잖아? 조금 만 더 깊이 생각해본다면 하나의 전제를 독자들이 조금 더 쉽게 이해하고 머리속에 콱 박아 놓을 수 있는 문장을 사용했다는 것을 알 수 있다.  <추월할 수 있는 게 없다 = 이 세상에서 빛이 제일 빠르다.> 이렇게 정의가 끝났고 다른 여지가 없다.

최고의 과학자로 머리속에 가장 먼저 떠오르는 아인슈타인은 1905년에 특수 상대성 이론을, 10년 뒤인 1915년에 일반상대성이론을 발표한다. 일반 상대성이론은 앞서 발표한 특수 상대성이론을 포괄하는 개념이므로 특수 상대성 이론이 개념을 처음 잡기에 유리하다.

특수상대성 이론은 빛의 성질에 대한 이론이다.

절대적으로 초당 30만km의 속도를 가진 빛은 추월할 수 있는 물질은 없다는 것을 전제로 한다. 빛의 속도는 절대적이지만 시간과 공간은 상대적이다. 따라서 빛의 속도에 가까워질수록 시간이 노려지고, 길이는 수축하며, 질량은 증가한다는 것이 특수 상대성이론이다. 

일반 상대성이론은 중력에 대한 이론이라 생각하면 된다. 결국 특수상대성 이론은 중력의 영향을 무시한 특수한 경우에 적용되고, 일반 상대성이론은 우주의 팽창을 포함한 우주 전체 구조를 이해하는데 적용한다 생각하면 쉬울 것이다.

상대성이론은 절대적인 두가지를 전제로 한다.

1. 자연의 법칙은 누구에게나 똑같다.
2. 빛의 속도는 누구에게나 똑같다.

일반 상대성이론에서 중력과 가속도의 영향은 같다는 이론을 중심으로 특수 상대성이론과 결합하게 되면 중력이 강할수록 상대적으로 시간이 느려진다는 결론을 얻게 된다. 속도가 빨라지면 시간은 느려지는 특수 상대성이론을 적용한 결과인데, 중력은 시공간의 만곡에서 발생한다는 의미이다. 시공간의 만곡은 그 안에 있는 질량을 가진 물체들에 의해 만들어지고, 질량이 더 클수록 시공간도 더 많이 휘어진다. 고무판 위에 같은 무게의 물질을 놓아 만곡을 만들더라도 재질에 따라 더 무거운 물질이 천 위에 놓인다면 가장자리의 주름이 더 커지는 것을 떠올리면 된다. 무게가 증가할 수록 판에 구멍이 뚫린 확률도 높아질 것이다. - 이것을 블랙홀이라고 생각하면 될 것이다. - 여기서 재미있는 것은 질량이 더 큰 물체를 궤도로 도는 작은 물체는 주어진 시공간 내에서는 가장 직선인 경로를 따른다는 것이다. 우리 태양계가 태양을 중심으로 궤도를 도는 것이 이런 현상의 결과물이라 생각하면 된다. )사실 말로는 이해하기 힘들지만 친절하게 그림을 제시하여 이해를 도와준다.)

마지막 챕터에 블랙홀에 대해 우리가 궁금했던 이야기들을 풀어주고 있다. "인터스텔라"에 등장했던 서재 장면은 답답함을 유도하다 마지막에 서야 겨우 해답을 찾게 된다. 실제와는 다른 모습이지만 책에 소개되는 3차원보다 높은 차원의 초공간을 시각적으로 이해하게 해준 장면일 것이다. 평면적인 세계에서는 바라볼 수 없는 공간을 3차원의 눈을 가진 우리는 지각할 수 있듯, 시간을 초월한 4차원 세계를 볼 수 있는 또다른 눈에 대한 동경이 블랙홀에 대한 관심으로 이어질 수밖에 없다. 

블랙홀이 있으면 화이트홀이 있어 빨려 들어간 물질이 튕겨 나가야 하는데 과학적으로는 소명이 되지 않는 부분이다. 다만 블랙홀 두개가 연결되어 있지는 않지만 공간의 왜곡을 통해 연결할 수 있을지도 모른다는 가냘픈 희망을 제시한다. 스타워즈나 스타트랙 같은 SF영화가 제시하는 공간이동의 기술, 즉 초공간을 경유한 순간이동이나 워프가 최소한 이론적으로는 가능하다는 이야기다.

우주를 이해하는 데는 많은 이론적 배경과 독서량이 필요하다. 가벼운 마음으로 과학 산책하는 이들에게는 부담이 되는 것은 물론 접근 자체를 막는 일일 수도 있다. 우리 자신의 과학적 소양을 위해 청소년에게는 지적 호기심을 통한 도전을 통해 과학의 기본적 이론을 좀 더 알기 쉽게 소개하고 공유하는 기회가 많이 오기를 기대한다.

학교 다닐 때는 그저 시험과목 중 하나였던 역사탐구가 하나의 재미난 책읽기로 취미가 되듯, 과학과 물리학, 천문학도 친근하게 다가오기를 기대한다.