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상상을 현실로 만드는 SF 영화 속 미래 과학 이야기

멸망 위기의 인류를 구해내거나 사랑하는 사람을 되살리기 위해 과거나 미래로 오가는 시간여행은 SF 영화의 단골 주제이다. 〈테넷 Tenet〉에서는 타임워프를 사용하지 않고 실제로 시간의 경과를 체감하면서 과거로 돌아가 미래의 자신과 싸우는 진기한 장면도 등장한다. 이러한 시간여행은 시공상의 다른 세계를 연결하는 웜홀wormhole 환경에서는 이론상 가능할 수도 있지만, 물리학적으로 말하자면 과거로의 이동은 인과율이라는 규칙에 의해 현실적으로는 불가능하다. 상대성이론을 바탕으로 한 세계에서 시간은 과거에서 미래라는 한쪽 방향으로만 성립하기 때문이다.
영화 〈스타워즈 Star Wars〉에는 2개의 태양이 뜨는 타투인 행성이 등장한다. 현재 천문학계에서는 태양이 여러 개 있는 천체가 다수 존재한다고 알려져 있지만 이 영화가 제작될 당시까지만 해도 밝혀지지 않았던 사실이다. 인간의 상상력이란 정말로 무한하여 영화에 묘사된 과학 세계가 시간이 흘러 현실에서 실제로 일어나기도 한다. 영화에 등장했던 말도 안 되는 과학적 발상이 미래의 과학을 이끄는 것이다.
《물리학자처럼 영화 보기 物理?者、SF映?にハマる》에서는 스티븐 호킹의 제자이자 우주 물리학자인 저자가 〈백 투 더 퓨처 Back To The Future〉, 〈인터스텔라 Interstellar〉, 〈마션 Martian〉, 〈그래비티 Gravity〉 등 시간과 우주를 주제로 한 12편의 SF 영화 속에 숨어 있는 흥미진진한 미래 과학 이야기를 들려준다.

출간 의의 및 특징

영화로 보는 미래의 과학
다양한 관점으로 시간을 바라보다

상대성이론에서는 광속에 가깝게 이동하면 시간은 천천히 흐른다. 통상적으로 시간의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향이지만 영화 〈테넷〉은 이러한 주장을 무시하는 ‘시간 역행’을 도입한다. 엔트로피를 감소시키면 시간이 거꾸로 흐른다는 가정에서다.
스티븐 호킹은 《시간의 역사 The Illustrated a brief history of time》에서 과거와 미래를 구별하는 3가지 화살이 존재한다고 주장했다 “무질서와 증가하는 시간의 방향인 열역학적 시간의 화살, 미래가 아닌 과거를 기억하는 방향인 심리적 시간의 화살, 그리고 우주가 수축이 아니라 팽창을 하는 방향인 우주론적 시간의 화살”이 그것이다.
〈히어로즈 Heroes〉에는 시공간을 조종하는 능력을 지닌 히로라는 인물이 등장한다. 그는 워프 같은 공간 이동도 가능하고, 시간을 거슬러 올라가는 시간여행도 가능하다. 심지어 목적지를 상상하는 것만으로 그러한 능력이 발휘된다. 하지만 절대적으로 정지해 있는 상태는 이 세상에 존재하지 않기 때문에 ‘시간을 멈추는 것’은 물리적으로는 불가능하다. 자기 이외의 모든 현상을 멈추는 것이 성립한다면 빛조차 도달하지 못한다. 완전히 캄캄한 암흑 속에 서 있는 상태, 즉 아무것도 할 수 없는 상황이 되기 때문이다.
《물리학자처럼 영화 보기》에서는 우주론, 상대성이론, 양자역학의 관점에서 시간과 우주에 얽힌 비밀을 탐구하면서 영화 속에 구현된 상상의 세계가 정말로 실현 가능한지 생각해 보고 새로운 관점으로 SF 작품을 바라볼 수 있도록 해준다.

인류의 과거와 미래, 우주
불가능을 상상하고 예측하다
시간여행 외에도 인간의 한계를 극명하게 느낄 수 있는 영화 배경은 우주 공간일 것이다. 우리 은하에만 2천억 개의 별이 존재하는 상황에서 지구와 비슷한 환경의 항성과 외계인의 존재가 궁금해지는 것은 사뭇 당연하다. SF 영화 속에서 그려지는 우주는 이러한 궁금증과 함께 인간의 무한한 상상력과 최첨단 과학기술이 합쳐져서 새롭게 만들어진다. 실제 거리상 한계와 현재의 과학기술로는 실행 불가능한 성간여행은 〈스타워즈〉 시리즈를 비롯한 다양한 SF 작품 속에서 자주 다루어져 왔다. 〈인터스텔라〉는 환경 오염으로 더 이상 살 수 없는 지구를 대체할 별을 찾아 떠나는 장면이 등장하는데 2014년 영화 속에서 묘사된 블랙홀은 2019년에 인류 최초로 시각화한 블랙홀 영상과 비교될 정도로 정확하게 만들어지기도 했다.
드라마 〈브이 V〉에 등장하는 파충류 외계인과 달리 수많은 UFO 목격담에서 가장 많이 등장하는 그레이형 우주인은 아마도 인류의 상상력이 만들어낸 전형으로 남아 있으며, 그러한 우주인과의 교류 과정을 그리는 영화 〈컨택트 Arrival〉에서는 우주인의 언어를 해독하여 소통하려는 노력이 그려진다.
《물리학자처럼 영화 보기》에서는 이처럼 다양한 SF 작품을 통해서 인류의 과거이자 미래의 단서이기도 한 우주의 시작과 끝을 자유롭게 상상하여 물리 법칙과 함께 풀어내고 있다.

머리말

1부 - 시간에 대하여

1장: 시간여행의 가능성과 한계 - 〈백 투 더 퓨처〉 시리즈
영화로 보는 미래 | 시간여행에도 종류가 있다 | 시간여행은 이론적으로는 가능하다 | 웜홀을 통과하려면 | 엔트로피 증가 법칙 | 미래인의 존재가 의미하는 것 | 시간여행에 필요한 에너지| 맨몸으로 날아갈까, 뭔가를 타고 날아갈까? | 가고 싶은 과거로 갈 수 있는 가능성 | 과거를 바꾸는 일은 가능할까? | 부모 살해 패러독스 |과거가 바뀐 것을 인지하려면 | 시간여행을 지켜본 사람들은 어떻게 될까? | 여러 번 과 거로 돌아가면 나는 여럿이 될까? | 하늘을 나는 자동차가 실현되려면

2장: 과거로 돌아간 수사관에게 자유의지가 있을까? - 〈데자뷰〉
가장 리얼한 시간여행 | 과거를 보는 기술 | 소화불량에 걸린 결말 | 시간여행은 인체에 아무런 영향을 미치지 않을까? | 미래가 바뀌는 타이밍 | 시간여행자의 자유의지 | 더그의 행동은 제한된다 | 영화 제목에는 이유가 있다 | 더그는 몇 번째 시간여행 자였을까?

3장: ‘역행’이라는 새로운 시간여행 - 〈테넷〉
시간을 역행한다 | 파트너 이름의 유래 | 일반적인 시간여행 | 시간을 역행한다는 것은 | 역재생을 인식할 수 있을까? | 아무리 생각해도 마음에 걸리는 설정

4장: 살인 기계는 5차원 세계를 여행해서 왔을까? - 〈터미네이터〉 시리즈
기계와 인간, 어느 쪽을 보내기 쉬울까? | 워프한 곳의 연대를 알 수 있는 현실적인 방법| 시간여행의 비결

5장 : 한없이 시간이 멈춘 세계를 느끼고 싶다면? - 〈히어로즈〉
모든 것이 ‘멈추는’ 세계는 가능할까? | 의사적인 시간 정지는 가능하다 해도 | 물리학자로서 거슬리는 대목 | 호킹 박사의 시간여행자 실험


2부 - 우주에 대하여

6장: 우주로 내동댕이쳐졌을 때 최후의 이동 수단 - 〈그래비티〉
우주에서는 어떻게 지낼까? | 국제우주정거장은 무중력? | 지표의 0.00000001% | 살고 싶다면 가진 것을 버려라 | 우주에서 핸드 스피너를 돌리면?

7장: ‘가정용 전자오락기’로 달 착륙을 시도하다 - 〈퍼스트 맨〉
우주비행사가 된다는 것 | 가정용 전자오락기로 우주에 가다 | 연료 탱크를 떼어내는 이유 | 랑데부 방식의 장점 | 최대의 난관, 도킹 | 제미니 계획에서 아폴로 계획으로 | 달에서 본 밤하늘과 태양

8장: 화성에서 식물을 재배하는 또 다른 이유 - 〈마션〉
다른 행성의 달력 | 정지 화면만으로 원활한 대화를 나눈다 | 화성에서 산소를 확보하다 | 이동이냐, 난방이냐? | 인공중력을 만들어내려면? | 홀로 남겨진 남자 구출 작전 | 화성의 저녁놀 | 태양계 행성을 무대로 한 다른 작품

9장: 논문으로도 제시된 블랙홀의 생생한 모습 - 〈인터스텔라〉
은하와 은하의 거리 | 웜홀을 통과할 수 있을까? | 7년 가까운 시간 차이가 생기는 이유 | 지구와의 통신 | 다시 그 남자가 남겨졌다 | 블랙홀 내부로의 우주여행 | 〈인터스텔라〉에서 바라본 고차원 세계

10장: 성간비행의 필수 앱 - 〈스타워즈〉 시리즈
우주를 끌어들인 가족 | 은하계를 지배한다는 것은 | 성간비행을 과학적으로 생각해 본다 | 동면 기술의 필요성 | 양자 텔레포테이션 | 성간비행의 필수 앱

11장 : 우주인과 교류한다면 마스크를 잊지 말자 - 〈컨택트〉
마스크는 필수다 | 장비 없이 우주인과 교류하려면? | 텔레파시에 필요한 것 | 비선형 언어? | 우주인의 타당한 목적

12장 : ‘우주인의 시력’과 ‘항성’의 밀접한 관계 - 〈브이(V)〉
정교한 침략 계획 | 상상할 수 있는 겉모습 | 우주인을 통해 보이는 세계 | 진보된 과학기술과 지구 침략의 향방 | 생명의 가능성 | 초자연현상과 과학

맺음말

‘시간여행’으로 다시 돌아가 보자. 과거로 돌아가는 경우 인과율이 하나의 커다란 장벽이다. 이것은 빛의 속도가 세상에서 가장 빠르다는 것을 바탕으로 한다. 최고 속도가 있다는 것은 어떤 정보를 과거에서 미래로 전달할 수 있는 한계 영역이 있다는 의미다. 빛이 운반하는 정보는 광원추라는 빛의 속도가 그려내는 영역 안에서만 전달된다. 어떤 현상도 어떤 힘이 전달됨으로써 일어난 결과이다. 광속도가 가장 빠른 속도이므로, 원인과 결과의 시간차 역시 광원추 내에서만 존재한다는 것이다. 이에 따라 원인에서 결과가 비롯되는 인과관계가 성립된다. 상대성이론은 기본적으로 광속도가 가장 빠른 속도라는 원리를 토대로 한다. 따라서 상대성이론을 바탕으로 한 세계에서 시간은 인과율에 따라 과거에서 미래라는 한쪽으로만 성립한다.
1장 - 시간여행의 가능성과 한계. p.19~20

엔트로피가 증가하는, 즉 통상적으로 시간이 흐르는 세계에서 시간이 역행하는 것을 관측하려면 엔트로피가 감소하는 세계에 사는 사람이 이쪽으로 와서 봐야 한다. 예를 들어 뒤로 가는 차들이 잔뜩 있는 세계에 당신이 섞여들었다고 해보자. 차가 역방향으로 달리고 있으면 당신은 놀라겠지만, 그 세계에서는 모두가 뒤로 달리는 차를 당연하게 인식하고 있다. 당신이 아무리 이것은 시간이 거꾸로 흐르고 있는 세계라고 주장해도, 당신이 원래 있던 세계의 시간의 흐름과 사물의 변화가 자연스럽다는 것을 모르는 그 세계 사람들은 시간이 역행하는지, 부자연스러운 움직임인지 알아차릴 수 없는 것이다.
3장 - ‘역행’이라는 새로운 시간여행. p. 80~81

자신이 광속에 가까운 속도로 이동하면 주변 물체는 전부 천천히 움직이는 것처럼 보인다. 이때의 시간 경과도 사실은 상대적인 차이라는 것이 상대론의 귀결이다. 주위 사람들이 보기에는 광속으로 이동하는 인물의 시간이 천천히 흐르고 있는 것이다. 다만, 광속으로 이동하는 사람을 관측할 수는 없고, 시간이 천천히 흐르고 있는 것을 관측하기 위해서는 정확하게 비교할 수 있는 각각의 시계를 준비해야 한다. 심지어 이런 시계를 촘촘히 배치하여 공간적으로 동일한 지점에서 비교해야 하므로, 문장으로 간단히 표현하듯이 인간의 눈에 ‘보인다’는 의미와 크게 다르다.
4장 - 한없이 시간이 멈춘 세계를 느끼고 싶다면?, p. 97~98

달은 대기가 없으므로 태양의 크기는 지구에서 보는 것보다 작을 것이다. 왜냐하면 지구에는 대기가 있으므로 빛이 산란하여 결과적으로 태양이 커 보이기 때문이다. 지구에서 보는 태양은 원래 색과도 다르다. 우주 공간에서 태양을 보면 중심은 새하얗고 강렬한 빛이며, 그 주위는 푸르스름한 빛을 띠고 있다. 달 표면에서 보이는 태양은 이것에 가깝다고 할 수 있다. 우리 눈에 태양이 노란색으로 보이는 것은 태양의 원래 색에서 푸른 하늘의 파란색이 산란에 의해 누락되었기 때문이다. 달에서는 태양의 진짜 모습을 볼 수 있지만, 강렬한 X선이 고스란히 도달하므로 절대 추천하지 않는다. 지구에서는 우리를 지켜주는 따뜻한 존재라는 이미지이지만, 달 표면에서 태양은 인정사정없이 공격해대는 악마 같은 존재다.
7장 ‘가정용 전자오락기’로 달착륙을 시도하다 p.130

우주를 무대로 한 SF 작품에서는 〈스타워즈〉를 필두로 우주 공간에서 전투할 때 큰 소리로 싸우거나 폭발하기도 한다. 하지만 실제 우주 공간은 진공이므로 소리가 전혀 전달되지 않는다. 물론 화려한 액션에 소리가 없다면 아무래도 허무하게 보이므로 영화에서 그 정도는 양해할 만하다. 반대로 소리 없이 우주 공간의 공포를 느끼게 해주는 〈인터스텔라〉의 폭발 연출도 그럴듯하다. 우주 전쟁물도 멋진 무음 연출을 고려할 만하다. 소리도 없고 고요한데 갑자기 빠른 속도로 날아오는 폭발의 파편이 우주선의 창을 관통하는 것과 같이 소리에 의존하지 않는 박진감 넘치는 장면을 연출할 수 있을 것이다.
9장 논문으로도 제시된 블랙홀의 생생한 모습 p. 159~160

먼저 우리 태양계가 은하의 어디에 위치하는지 알고 있는가? 우리 은하의 반지름 크기가 5만 광년이다. 그 반지름의 거의 한가운데쯤에 우리 태양계가 있다. 은하 중심에는 거대한 블랙홀이 있으며, 그 주변을 둘러싸듯이 팽대부膨大部(은하 원반의 중심부에 나이 많은 별들이 많이 분포되어 볼록하게 부풀어 오른 부분- 옮긴이)라는, 별이 빽빽하게 모인 부분이 있다. 이것들을 중심으로 은하의 별들은 세탁기처럼 빙글빙글 회전하고 있다. 한 바퀴 도는 데 약 2억 5천만 년 정도 걸린다고 한다.
10장 - 성간비행의 필수 앱, p.169