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영화가 가르쳐주지 않는 물리학, 모든 과학이론의 궁금증을 해결하다!

국내에서 인기를 끌고 있는 SF 영화 《인터스텔라》, SF영화이지만 휴머니즘을 동반하며 영화 속 아인슈타인의 상대성이론, 중력, 블랙홈과 웜홀, 5차원 등 다양한 과학이론의 등장이 관객들의 지적 호기심을 유발시키며 영화의 인기를 더하고 있다. 하지만 영화에 등장하는 과학이론이 어렵다는 반응을 보이기도 한다. 이에 평상시 물리학과 우주론에 관한 관심과 열의를 보인 저자 이종필이 『이종필 교수의 인터스텔라』를 통해 쉽고 재미있게 우주학 강의를 펼쳐 보인다.

이 책은 영화 《인터스텔라》에 등장하는 여러 이론들과 그것만으로는 부족한 여러 이론들, 그리고 영화에서 가르쳐주지 않는 다른 과학이야기도 함께 다룬다. ‘밤하늘은 왜 어두울까’라는 천상의 비밀에서 시작된 과학의 역사부터 뉴턴의 만유인력의 법칙을 통해 알게 된 그래비티, 아인슈타인의 특수상대성이론과 일반상대성이론 개념, 그리고 블랙홀과 웜홀, 우주와 은하, 4차원을 넘어선 덧차원 등 물리학과 우주론 강의로 영화의 궁금증 해결 뿐 아니라 본문에 일러스트를 삽입해 이해를 한층 돕고 있다.

《인터스텔라》, 제대로 알고 보셨나요?
상대성이론, 중력, 블랙홀과 웜홀… 우주에 대한 모든 과학적 궁금증을 풀다!
2014년 12월 현재 영화 《인터스텔라》는 이미 800만 관객을 돌파해 국내에서는 선풍적이라고 할 만한 인기를 끌고 있다. 과학 교육 차원에서 부모가 자녀들의 손을 이끌고 영화관을 찾는 경우도 있다고 한다. 영화 《인터스텔라》에는 아인슈타인의 상대성이론, 중력(gravity), 블랙홀과 웜홀, 5차원 등 다양한 과학이론이 등장한다. SF영화이지만 휴머니즘을 기반으로 한다는 점, 미국 캘리포니아공과대학교 킵 손 교수의 자문을 통한 정교한 과학적 고증 등이 국내 관객의 지적 호기심을 자극한 것이라는 분석이다.
하지만 영화를 본 일반 관객들은 영화 속에 등장하는 과학이론 때문에 영화가 어렵다는 반응을 보이기도 한다. 따라서 방송과 언론에서는 《인터스텔라》를 설명해줄 수 있는 전문가를 찾아 영화 이해를 도우려 노력한다. 그렇지만 여전히 대중들은 쉽사리 설명되지 않는 영화 속 이론에 대해 알고 싶은 욕구를 표출한다. 인터넷 커뮤니티에는 비전문가들의 영화 속 과학이론 분석이 높은 조회수를 차지하기도 한다.
신간 『이종필 교수의 인터스텔라(부제: 쉽고 재미있는 우주론 강의)』는 이러한 대중들의 욕구를 충족하는 책이다. 영화 《인터스텔라》에서 간략하게 설명해주고 있지만 그것만으로는 부족한 여러 이론들, 그리고 영화에서 가르쳐주지 않는 다른 과학이야기도 함께 다루고 있다. 7세기 신라시대 사람들이 천문학에 관심을 가진 이유, 밤하늘이 어두운 이유, 중력과 달, 특수상대성이론과 일반상대성이론의 개념, 블랙홀과 웜홀, 우주와 은하, 4차원을 넘어선 덧차원 등 영화 이해를 돕는 것은 물론, 그 외의 ‘우주론’과 관련된 일반 대중들의 궁금증을 제대로 짚어 이야기한다.
전형적인 오디세우스적 구도를 충실히 따르는 미국식 프런티어 정신이 잘 드러나 있고, 가까운 미래의 이야기이면서 ‘실패한 우주탐사’의 이야기를 소재로 한 영화 못지않은 재미를 느낄 수 있는 쉬운 ‘우주론 강의’를 지향한다. 즉, 가슴(영화)으로는 인터스텔라의 감동을 느끼고, 머리(책)로는 인터스텔라를 이해할 수 있다. 영화를 이미 본 사람이라면 영화 속 궁금증을 해소하면서 동시에 영화의 감동을 재음미할 수 있을 것이고, 영화를 보지 않은 사람이라도 책을 통해 신비로운 우주에서 펼쳐지는 이야기를 과학적으로 이해할 수 있는 기회가 될 것이다.

영화가 가르쳐주지 않는 물리학이 쉽고 재미있는 우주론 강의로 재탄생하다
미국에서는 영화 《인터스텔라》의 개봉과 동시에 킵 손 교수의 『The Science of Interstellar』라는 책이 출간이 되었다. 킵 손 교수는 개봉 전부터 이 책 출간할 준비를 하고 있었고, 자문을 맡은 킵 손으로서는 당연한 것이었다고 할 것이다. 하지만 이는 전문가용으로 대중들의 이해에 도달하기는 어렵기 때문에, 일반 대중들의 과학이론에 대한 지적 호기심과 궁금증을 해소할 방법이 상대적으로 적다.
저자 이종필 교수는 《인터스텔라》 국내 개봉 후 해설과 관련하여 언론 및 방송사의 인터뷰 요청으로 분주했다. 영화에서는 상대성이론을 비롯한 다양한 물리학이론이 표현되는데, 그것을 전문적으로 설명해줄 마땅한 전문가가 많지 않기 때문이었다. SBS, JTBC, 머니투데이, 시사in 등에서 인터뷰를 진행하며 우선적으로 대중들의 ‘알고 싶은 욕구’를 해소해주기 위해 노력한 저자는, 촉박한 기간 중에도 하루빨리 책을 내기 위해서 원고 마감에 최선을 다했다. 저자는 영화 개봉 후 11월 9일부터 『이종필 교수의 인터스텔라』의 집필을 시작해 약 보름 만인 11월 25일에 원고 집필을 완료했다. 평상시 물리학과 우주론에 관한 관심과 열의가 있지 않았다면 불가능했던 일이다. 물리학자이지만 마치 ‘작두를 탄 것처럼’ 신들려서 글을 써 내려가야 했던 상황을 저자는 에필로그에서 밝히고 있을 정도이다.

“한 번 작두만 올라타시면 그깟 원고쯤이야…”
일을 시작하기 전부터 한 사장님은 연신 작두 타령이었다. 물리학자를 붙잡고 과학책을 내면서 작두라니, 이런 개작두 같은 소리가 어디 있을까 속으로 생각하면서도, 글이 나오지 않아 원고와 씨름하던 매 순간마다 나는 어디선가 정말 신기라도 내려앉아 나의 손가락이 저절로 문장을 써 내려갔으면 얼마나 좋을까 생각하곤 했다.

책은 단순히 영화에 대한 평을 하고 있는 것이 아니다. 영화 속에서 설명해주지 않은 물리학과 우주론에 대한 이론과 개념 부분까지 자세히 다루고 있다. 동시에 영화에 나온, 그리고 나오지 않은 물리학과 우주론에 대해서도 쉽고 재미있는 이야기로 풀어낸다. 뉴턴, 갈릴레오, 케플러, 허블, 맥스웰, 호킹, 아인슈타인 등 우주론과 물리학에 관한 수많은 이론을 소개하는 것은 물론, 그것을 최대한 쉽게 이해할 수 있도록 노력한 흔적이 엿보인다. 또한 본문에 들어간 일러스트들을 통해 독자들의 이해를 한층 돕고 있다.

과학과 자연의 원리와 우주의 질서를 알고 싶어 하는 원초적인 욕망을 표출하다
《인터스텔라》가 한국에서 돌풍을 일으키고 있는 데는 여러 가지 이유가 있을 것이다. 저자는, “과학과 자연의 원리와 우주의 질서를 알고 싶어 하는 원초적인 욕망을 한국사회에서 제대로 해결하지 못한 억눌림이 《인터스텔라》를 계기로 폭발한 덕분이 아닐까” 생각한다. 한국의 기초과학 현실이 열악하고 과학문화 자체가 일천한 것은 더 이상 말할 필요도 없다. 그러나 저자는 몇 년 동안 대중강연을 다니면서 우리 이웃들이 과학을 알고 싶어 하고 자연의 근본원리를 들춰보고자 하는 욕망과 잠재력이 상당하다는 것을 피부로 느낄 수 있었다고 말한다. 불행하게도 아직 한국 사회는 그런 욕망을 충족시킬 장치가 별로 없다.
그래서 저자는 《인터스텔라》의 폭발적인 흥행이 한편으로 반가우면서도, 다른 한편으로는 우리의 씁쓸한 현실이 떠올라서 안타까웠다고 이야기한다. 영화 속의 NASA는 미국에서조차 천덕꾸러기로 전락한 설정으로 나온다. 한국의 기초과학은 원래 천덕꾸러기였다. 당장에 돈벌이가 되지 않는 분야는 정부의 지원이나 사회의 관심에서 멀어진 지 오래이다. 대학에서 구조조정 이야기가 나올라치면 가장 먼저 도마에 오르는 학과가 물리학과 같은 기초과학 분야 학과들이다. 취업률이 낮다, 연구비도 못 따온다, 논문도 못 쓴다, 기타 등등의 이유로 생존조차 위협받는 경우가 많다고 한다.
미국은 NASA를 만들면서도 더 중요하게는 공교육에서 수학과 물리학 등 기초과학 교육구조를 전면적으로 개편했다. 이전까지 실용성을 강조했던 과학교육이 원론적이고 본질주의적으로 바뀐 것이다. 기초학문의 중요성이 높아진 것은 물론이다. 저자는 미국이 위기에 대처하는 방식이 대단히 근본적이고 전면적이었다는 점을 들며, “과연 우리는 지금 얼마나 기초학문을 중시하고 있는지, 잘못된 교육제도와 내용을 전면적으로 뜯어고칠 의지가 과연 있는지부터 먼저 돌아봐야 하지 않을까?”라고 이야기한다.

『이종필 교수의 인터스텔라』 책 속에 나타난 과학이론들
천상의 비밀
과학의 역사는 ‘밤하늘은 왜 어두울까’를 비롯한 다양한 천상의 비밀을 밝혀온 역사라고 할 수 있다. 아리스토텔레스의 우주관, 망원경을 통해 달의 본 모습을 밝힌 갈릴레오 갈릴레이의 공헌, 행성궤도가 타원이라는 케플러의 행성법칙 등을 소개하며, 우주의 비밀을 밝혀온 인류의 노력을 보여준다.
그래비티
뉴턴의 만유인력의 법칙을 통해 알게 된 중력은 전자기력에 비해 엄청나게 작은 힘이다. 하지만 이 중력은 우주에서는 큰 힘을 발휘한다. 뉴턴의 운동량 보존법칙, 우주선이 행성의 중력을 이용해 날아가는 중력기동, 달이 인력으로 지구를 당기는 힘인 기조력과 지구 자전의 브레이크 현상 등을 통해 중력의 개념에 대해 이해할 수 있다.
특수상대성이론
전기장과 자기장은 광속으로 진행한다는 맥스웰의 방정식과 그 영향을 받은 아인슈타인의 특수상대성이론을 소개한다. ‘모든 관성좌표계에서 물리법칙은 똑같다/모든 관성좌표계에서 광속은 똑같다’라는 가정에서 시작하여, 아인슈타인은 광속불변이 우리 우주의 근본원리이며 좌표를 구성하는 시간과 공간이 바뀌어야만 한다는 혁명적인 관점의 변화를 이야기한다.
일반상대성이론
특수상대성이론이 등속운동에 관한 이론이라면, 일반상대성이론은 특수상대성이론을 일반화한, 가속운동에 관한 이론이다. 가속운동을 하면 없던 힘인 관성력이 생기며, 그 관성력은 중력과 구별할 수 없다(‘등가원리’). 가속운동은 중력이고, 가속운동은 시공간의 뒤틀림이기 때문에 중력이 곧 ‘시공간의 뒤틀림’이라는 핵심에 도달한다(‘중력이 강력한 곳에서는 시간이 느려진다’). 아인슈타인의 등장으로 뉴턴의 이론은 무너지고, ‘과학의 혁명’이 일어난다.
블랙홀과 웜홀
중력이 강력한 천체인 블랙홀은 일반상대성이론에 의해 시간지연 효과가 아주 커진다. 열역학 제2법칙과 블랙홀의 정보역설 등 블랙홀에 대한 많은 과학자들의 이론이 펼쳐진다. 끊임없는 논쟁 끝에 블랙홀에서 정보가 손실된다는 호킹 박사의 주장은 2004년에 철회되고, 블랙홀에서 정보는 사라지지 않는다는 결론을 얻는다. 하지만 여전히 블랙홀에 관한 논쟁은 진행 중이다. 멀리 떨어진 2개의 시공간을 연결하는 통로인 웜홀과, 웜홀로 시간여행이 정말로 가능한지에 대해서도 함께 생각해본다.
집 우, 집 주, 넓을 홍, 거칠 황
천문학과 우주론의 역사는 거리 측정의 역사이다. 맥박이 고동치듯 별빛이 주기적으로 변하는 ‘세페이드 변광성’을 통해 별까지의 거리를 알 수 있게 되었고, ‘모든 은하는 멀어진다/멀어지는 속도는 거리에 비례한다’라는 허블의 법칙이 등장한다. 우주가 한 번의 큰 폭발로 생겨났다는 ‘빅뱅’이론은 현재 표준우주론으로 자리를 잡게 되었고, 우리 우주의 나이가 약 138억 년이라는 사실이 밝혀졌다.
덧차원
우리가 느끼는 4차원의 시공간을 넘어 우리 우주에는 6개의 덧차원이 더 존재한다는 이론이 등장하고 현재까지 그 존재 여부를 확인하기 위한 실험이 진행 중이다. 덧차원까지 포함된 전체 시공간에서는 원래 중력이 약하지 않았지만 중력이 덧차원으로 빠져나갔기 때문에 4차원 시공간에서는 중력이 약해졌다는 이론과, 만약 덧차원을 포함한 시공간에서 중력이 약하지 않다면 블랙홀을 만들어낼 수도 있다는 가능성을 살펴본다.

1. 프롤로그: 금요일의 전화, 그리고 시사회

2. 천상의 비밀
당신은 미실과 얼마나 다릅니까 / 천상의 비밀을 밝혀온 과학의 역사 / 밤하늘은 왜 어두울까 / 달은 완벽한 천상계의 모습이 아니었다 / 미지를 향한 인류의 탐험

3. 그래비티
중력은 참 고마운 힘 / 지상계의 사과와 천상계의 달 / 중력기동 / 김연아의 각운동량은 보존된다 / 달은 언제나 같은 면만 보여준다

4. 특수상대성이론
아인슈타인과 맥스웰 / 전기장과 자기장은 광속으로 진행한다 / 간섭은 파동의 고유한 성질 / 광속불변은 우리 우주의 근본원리 / 원래의 상대성이론은 애들 장난에 불과합니다

5. 일반상대성이론
왜 일반상대성이론은 중력에 관한 이론일까 / 추락하는 차량에는 힘이 작용하지 않는다 / 중력은 곧 시공간의 뒤틀림 / 뉴턴의 이론이 무너졌다 / 중력이 강력한 곳에서는 시간이 느려진다

6. 블랙홀과 웜홀
행성의 중력권을 벗어나려면 초속도가 관건 / 어둑별은 블랙홀의 효시 / 사건의 지평선이란 / 열역학 제2법칙과 비빔밥 / SF 팬들을 실망시켜서 유감스럽다

7. 집 우, 집 주, 넓을 홍, 거칠 황
우주는 까칠하다 / 세페이드 변광성의 밝기가 시간에 따라 변하는 이유 / 모든 은하는 멀어진다 / 허블의 위대한 발견 / 정말로 우주상수가 암흑에너지일까

8. 덧차원
고정관념을 깨라 / 세상 만물은 끈으로 만들어졌다 / 중력은 왜 그렇게 약한가 / 미니 블랙홀을 만들 수 있다? / SF가 현실이 되었다

9. 《인터스텔라》, SF영화의 ‘인듀어런스호’
승부는 오래전에 결판났다 / 상대성이론은 필연성을 갖고 있다 / 전형적인 오디세우스적 구도 / 우주의 질서를 알고 싶어 하는 원초적인 욕망 / 인류와 지구와 우주와 과학과 미래

10. 에필로그: 비밀 프로젝트를 마치며

천상의 비밀을 밝히는 작업은 20세기 과학에서도 가장 중요한 과업이었고 21세기에도 여전히 그러하다. 장비와 기술이 놀라울 정도로 발전했기 때문에 우리는 지금 천상의 비밀에 대해 무척 많은 것을 알고 있다. 하지만 역설적이게도 알면 알수록 더 많아지는 것이 또한 천상의 비밀이다. … 천상의 비밀을 밝히는 첫걸음은 하늘을 보는 것이지만, 역시 직접 가보는 것만큼 확실한 방법은 없다. 우주여행은 그래서 과학자들에게도 가장 설레는 여행이다.
2. 천상의 비밀 / 40-41쪽

우주로 나가면 상황이 달라진다. 우주적인 규모에서는 중력이 큰 목소리를 내기 시작한다. 태양같이 거대한 질량의 천체는 부지기수이고 이런 별들이 최소 1,000억 개 정도 모여 있는 은하도 장대한 우주쇼의 주인공으로 등장한다. 중력이 극단적으로 강력한 괴물 같은 천체, 블랙홀도 도처에 널려 있다. 그러니까 중력을 모르고 우주로 나간다는 것은 바다에 대한 지식과 경험도 없이 배를 띄우는 것과도 같다. 이왕지사 상황이 그렇다면 우주여행을 즐기기 위해 중력을 최대한 활용하는 것이 보다 현명한 방법일 것이다. 사실 이미 우리는 우주선을 원하는 목적지에 보내기 위해 중력을 십분 활용하고 있다.
3. 그래비티 / 51쪽

중력은 공간을 뒤틀어서 별빛만 휘는 것이 아니라 시간도 뒤틀어서 왜곡시킨다. 결과부터 말하자면 중력이 강력한 곳에서는 시간이 느려진다. 특수상대성이론에서 빠른 속도로 날아가는 좌표계에서는 시간의 간격이 팽창하는 것과 마찬가지로, 중력이 강력하면 시간 간격이 늘어나고 그 결과 시간이 늦게 간다. 특수상대성이론에서 소개한 미국의 초정밀 시계가 이것도 검증할 수 있을까? 물론이다. 2개의 시계를 서로 다른 높이에 두면 지구에 의한 중력 차이 때문에 더 높이 있는 시계가 좀 더 빨리 갈 것이다. 일반상대성이론이 옳다면 말이다.
5. 일반상대성이론 / 117쪽

블랙홀은 중력이 강력한 천체인 만큼 블랙홀 주변에 다가갈수록 일반상대성이론에 의한 시간지연 효과가 아주 커진다. 지구에 남은 머피가 봤을 때 블랙홀로 다가가는 인듀어런스호와 쿠퍼의 시간은 점차 느려진다. 그러다가 쿠퍼가 사건의 지평선에 이르게 되면 머피가 관측하는 쿠퍼의 시간 간격이 무한대로 팽창한다. 시간 간격이 무한대라는 말은 시간이 전혀 흐르지 않는다는 말이다. 따라서 머피는 쿠퍼가 블랙홀의 사건의 지평선을 넘어가는 모습을 보지 못한다. 머피가 봤을 때 쿠퍼는 사건의 지평선에 영원히 걸려 있는 모습만 보게 된다. 쿠퍼를 블랙홀 속으로 떨어뜨리고 에드먼드의 행성으로 떠나는 아멜리아에게도 마찬가지이다.
6. 블랙홀과 웜홀 / 129쪽

《인터스텔라》가 정작 미국에서 크게 흥행하지 못한 반면 한국에서 돌풍을 일으키고 있는 데는 여러 가지 이유가 있을 것이다. … 하지만 내가 생각하는 가장 중요한 원인은, 과학과 자연의 원리와 우주의 질서를 알고 싶어 하는 원초적인 욕망을 한국사회에서 제대로 해결하지 못한 억눌림이 《인터스텔라》를 계기로 폭발한 덕분이 아닐까 싶다. 한국의 기초과학 현실이 열악하고 과학문화 자체가 일천한 것은 더 이상 말할 필요도 없다. 그러나 지난 몇 년 동안 여기저기 대중강연을 다니면서 나는 우리 이웃들이 과학을 알고 싶어 하고 자연의 근본원리를 들춰보고자 하는 욕망과 잠재력이 상당하다는 것을 피부로 느낄 수 있었다. 불행하게도 아직 한국 사회는 그런 욕망을 충족시킬 장치가 별로 없다.
9. 《인터스텔라》, SF영화의 ‘인듀어런스호’ / 218쪽