쉽지 않은 좋은 소재로 강의하시느라 수고하셨습니다.
상대성이론에 대해 공부를 많이 하신 것 같습니다.

E=mc2(데이비드 보더니스 지음.출판사:생각의 나무.2001년 3월)
*2는 c의 자승임.댓글달기 화면에서는 원본에 있던 자승 표시가 위와 같이 바뀜.

내가 이 책을 읽은 지는 15년이 넘은 것 같습니다. 당시 출간 되자마자 구입했었기
때문입니다.그런데 조갑제 대표님이 화면으로 소개해 준 책은 저자는 같지만 표지가
내가 소장하고 있는 책의 디자인과 다른 것으로 보아 최근에 다시 출간된 것으로
보입니다.나는 물리학을 공부한 적은 없지만 우주과학,상대성 이론에 대해 소양 차원
에서 관심이 많은 편이고,우주관련 영화도 즐겨 봅니다.

E=mc2는 에너지와 질량이 각각 독립적으로 보존되는 별개의 것이 아니라,
‘질량과 에너지는 하나다’(질량-에너지 등가원리)라는 원리입니다.

시간,길이,공간은 보는 사람에 따라 달라질 수 있다는 아인슈타인의 ‘특수상대성 이론’
의 한 분야이면서 원자폭탄 개발의 원리가 된 E=mc2를 과학자들은 세상을 지배하는
가장 위대한 공식이라고 말합니다.

그런데 이 천재적이고,위대한 발견인 특수상대성 이론,일반상대성 이론을 가지고
아인슈타인은 왜 노벨물리학상을 수상하지 못했을까요?
아인슈타인은 1921년 ‘광양자 이론’으로 노벨물리학상을 수상했습니다.

물리학에는 실험 결과를 토대로 원리를 도출하는 실험물리학과, 이론적 결과를
실험적으로 검증하는 이론물리학이 있습니다.
따라서,물리학자도 실험물리학자와 이론물리학자로 나뉩니다.
아인슈타인은 이론물리학자입니다.
그러나,상대성 이론이 세상에 처음 등장했을 때 전 세계에서 상대성 이론을 이해할
수 있는 사람은 10명 밖에 안된다고 할 정도로 난해할 뿐만 아니라,실험과 검증을
통해 그 원리의 타당성을 증명해야 하는데 당시로서는 실험과 검증이 어려웠기
때문입니다.

일반상대성 이론은 중력이 시공간과 빛을 휘게 한다는 이론입니다.
공간을 휘게한다는 말은 형태적 느낌이 오지만 시간을 휘게 한다는 말은 무슨 뜻일
까요? 시간이 느려지는 현상을 말합니다.

1,000만 관객을 돌파한 영화 ‘인터스텔라’ 이야기 좀 할까요?
이 영화에서 사람이 정착할 수 있는 새로운 행성을 찾아 지구를 떠난 주인공 쿠퍼등
과학자 일행(4명)이 토성 근처의 웜홀(worm hole)을 통과해 다른 은하계에 속한
‘밀러’행성에 처음 도착합니다.이때 우주선 모선인 ‘인듀어런스’호에 과학자 1명을
남겨두고 3명이 착륙선으로 ‘밀러’행성에 착륙합니다.그러나,바닷물 밖에 없는 ‘밀러’
행성에서 높이 1.2km의 거대한 파도가 착륙선을 덮치는 바람에 고장을 일으켜 이를
수리하는데 ‘밀러’행성 시간으로 3시간 40여분 정도를 소비해 ‘인듀어런스’호에 귀환
했을 때는 이곳 모선의 시간은 23년이 흘러 모선에 남아 있던 과학자는 턱수염이
희끗희끗 해진 늙은 모습이었습니다.
‘밀러’행성에서의 1시간은 지구시간 7년에 해당하는 시간의 휘어짐(느리감)때문
입니다.이는 ‘밀러’행성의 자체중력(지구중력의 1.5배)과 영화 후반부에 주인공 쿠퍼가
빨려 들어가게 되는 ‘밀러’행성 가까이 있는 블랙홀(black hole) ‘가르강튀아’의
강력한 중력의 영향 때문일 것입니다.

나중에 쿠퍼는 블랙홀 ‘가르강튀아’에 빠져 지구시간 50년의 시간이 흐르고, 5차원의
세계로 떨어져 ‘태서랙트’에 갇혀 지구를 출발하기 전의 자신과 딸 ‘머피’의 모습을
보게되고,성인이 된 과학자 딸에게 양자데이타를 이용해 딸에게 주었던 손목시계
초침을 ‘모스’부호로 움직이게 해 중력방정식 데이터를 보냄으로써 마침내 머피는
수십년 동안 풀지 못한 중력방정식을 완성해,인류가 환경 파괴로 더 이상 살 수 없게된
지구를 떠날 때 인류를 태울 거대한 우주선의 중력이상 문제를 해결합니다.

쿠퍼는 5차원 세계에서 튕겨져 나와 토성 근처에서 구조되고 딸 머피와 재회했는데,
쿠퍼가 지구를 떠날 때 40세,딸은 10세 정도였는데 재회했을 때 쿠퍼의 지구 나이는
124세 였지만 지구를 떠날 때 모습 그대로인 반면,10세 였던 딸은 병상에서 가족들
에게 둘러쌓여 임종을 앞둔 90세가 넘은 초 노인의 모습이었습니다.

영화 마지막 장면은 쿠퍼가 우주선을 훔쳐타고 인공지능 로봇 ‘타스’와 함께 블랙홀
에서 헤어진 여성 과학자 브랜드 박사를 찾아 떠납니다.딸 머피로부터 브랜드 박사가
‘에드먼드’행성에 안착해 생존해 있다는 소식과, 부모가 자식의 죽음을 지켜볼 필요는
없다며, 브랜드 박사를 찾아 가라는 머피의 권유를 받았기 때문입니다.

마지막 장면은 인터스텔라 2편을 만들겠다는 ‘크리스토퍼 놀런’감독의 메시지라고
보고,2편을 기대하고 있는데 개봉된지 2년 반이 지나도 아직 소식이 없네요.

1편에서 웜홀,블렉홀의 신비스런 모습을 보여줬으니, 2편에서는 우주의 3홀(hole)중
마지막 화이트홀(white hole)의 모습이 나오지 않을까?
과연 쿠퍼는 브랜드와 재회할 수 있을까? 쿠퍼가 에드먼드 행성에 도착했을 때는
시간이 너무 흘러 브랜드는 사망했지만 우주선 ‘인듀어런스’호에 실려 있던 캪술에
보관된 수천개의 인간 수정체로 브랜드가 에드먼드 행성에서 ‘플랜 B’ 계획을 실행
하여 후손들이 태어나 살고 있지는 않을까?(영화에서 ‘플랜 A’ 계획은 인류를
거대한 우주선을 이용해 새로운 행성으로 이주시키는 것임)
아니면,쿠퍼와 브랜드가 블랙홀,화이트홀(블랙홀 반대쪽에 있다고 상상),웜홀을 지나
다시 지구로 귀환할 수 있을까? 하고 즐거운 공상을 해 봅니다.

참고1: 영화 인터스텔라에는 다음과 같은 과학 용어가 나옵니다.
중력,중력기동,웜홀,상대성이론,블랙홀,사상(건)의 지평선(event horizon),특이점,
타임슬립(time slip)뉴턴의 제3법칙,5차원,양자역학,태서랙트(tesseract)
인터스텔라 과학에 대해 좀 더 공부하고 싶다면 다음 책의 일독을 권합니다.
o.인터스텔라의 과학(저자:킵손.전대호 옮김.출판사:까치글방 2015년1월)
킵손은 인터스텔라 영화제작에 직접 관여했으며,스티브 호킹과 어깨를 나란히 하는
미국의 이론물리학자임.
o.이종필 교수의 인터스텔라(저자:이종필.출판사:동아시아 2014년 12월)

참고2: 질량은 관성질량,중력질량,에너지질량으로 구분되는데 E=mc2는 에너지질량임.
질량(m.mass)은 물체가 가지고 있는 물체 고유의 양을 말함인데 질량의 표시 단위는
kg.g.mg으로 표시합니다.질량의 크기는 지구.달.태양.우주 어느 다른 장소에
가도 변하지 않고 항상 일정합니다.그러나,무게는 지구가 물체를 잡아 당기는
힘,즉 중력의 개념이기 때문에 장소가 바뀌면 무게도 달라 집니다.
예를 들면 지구에서 몸무게 60kg인 사람이 달에 가면 10kg으로 줄고,목성에
가면 150kg으로 늘어납니다.그 이유는 달은 지구 중력의 6분의1이고,목성은
지구중력의 2.5배가 되기 때문입니다.그러나,지구에서 만큼은 질량과 무게의
크기는 같다고 봐도 좋을 것입니다.다만,높은 산 꼭대기나 비행기 안에서
무게를 재면 중력의 힘이 다소 약해져 미세하나마 무게의 차이가 날 수
있습니다.또한,어떤 물체가 빛의 속도로 달리면 질량은 제로(O)가 됩니다.
그래서 빛은 질량이 없습니다.질량이 없는 입자는 항상 빛의 속도로 진행
합니다.빛.전파.중력자가 그렇습니다.만약,빛에 질량이 있다면 우주에 살아
남는 것은 아무 것도 없을 것입니다.빛은 입자와 파동의 성질을 동시에 갖고
있는데 빛의 입자에 질량이 있다면 아무리 적은 질량이라도 초속 30만km의
어마어마한 속도로 달리는 입자에 얻어 맞아 살아 남는 생명체가 있겠습니까?
빛에 질량이 없게 만든 우주의 섭리는 참으로 오묘하다는 생각이 듭니다.

참고3: 중력이 시간에 주는 영향을 우리는 항상 접하고 살고 있습니다.
우리가 차를 타고 갈 때 네비게이션에서 안내받는 도로 상황은 지구 궤도
위에 떠 있는 GPS 위성으로부터 받는 위치결정시스템 정보입니다.
그런데 GPS 위성은 지구 중력권 밖에 있어 중력의 영향을 받지 않으므로
이 위성의 시간은 지구 시간보다 10만분의 4초가 빠릅니다.
그래서 지구 시간과 일치시키기 위한 조정작업을 항상 수행합니다.
그대로 방치하면 “50미터 앞에 차량방지턱이 있습니다”라고 안내돼야 할
것을 “30미터 앞에 차량방지턱이 있습니다”로 잘못 안내 될 수 있습니다.

참고4: 블랙홀-그것은 너무나도 강한 중력 때문에 빛 조차 밖으로 나갈 수 없는
암흑의 천체입니다.블랙홀의 중심에는 특이점(特異点.singular)이라 부르는
밀도가 무한대인 곳이 있습니다.블랙홀로 빨려 들어간 모든 물질이 도착하는
곳이 바로 이 특이점입니다.그곳에는 시간과 공간이 존재하지 않으며(시간은 정지
되고,공간은 심하게 짜부러졌다는 뜻)모든 물리법칙이 성립되지 않습니다.
한마디로 특이점에서는 무슨 일이 벌어질지 알 수 없다는 것입니다.
.
특이점 주위는 중력이 엄청나게 강한 공간으로 빛이라해도 밖으로 빠져 나갈
수 없는 면이 형성되며,이 면을 사상(건)의 지평선(事象의 地平線.event horizon)
이라고 합니다.지구에서 위성을 쏘아 올리면 지구의 중력은 이 위성을 끌어
내리려 합니다.이때 중력을 벗어나기 위한 속도를 ‘탈출속도’라고 합니다.
지구의 탈출속도는 초속 11.2km 이상이어야 합니다.1초에 11.2km로 달리는
속도도 빠른 것인데,1초에 30만km를 달리는 빛을 빨아 들이는 블랙홀의
중력의 세기란 얼마나 큰 것인지 가늠해 볼 수 있지 않을까요?
빛보다 빠른 비교대상이 없어 그렇지 빛보다 더 빠른 속도가 존재한다 해도
블랙홀 속으로 빨려들어 갈지 알 수 없습니다.

아주 유익한 내용이었습니다. 앞으로도 종종 이런 주제로 방송했으면 좋겠습니다.