인터스텔라(1)- 과거 현재 미래는 하나다
분열에서 통합으로
인터스텔라(1)- 과거 현재 미래는 하나다
2014년 크리스토퍼 놀란이 감독한 이 영화는 멸망해 가는 지구의 대체재를 찾아 우주로 나서는 사람들 이야기이다. 감독은 새로운 인류의 터전을 찾아 나서는데 최고의 물리학자들의 업적에 의존하고 있다. 아인슈타인과 닐스보어, 스티븐 호킹에 대한 존경과 그들에게 바치는 영화가 아닐까 싶을 정도로 최신 물리학 이론에 의존하고 있다. 영화 곳곳에 상대성이론, 양자역학, 호킹복사, 심지어 다차원 우주를 주장하는 초끈이론까지 등장한다.
1.이 영화를 어떻게 읽을 것인가?
이 영화는 지구 멸망의 위기에서 우주의 보금자리를 성공적으로 건설하는 사람들을 그려냄으로써 만물의 영장 인간의 용맹과 위대함을 칭송한 영화로 볼 수 있을 것이다. 그런데 이런 성공은 현대물리학의 성과에 힘입어 가능했다는 점에 비추어 볼 때 현대 과학의 승리를, 즉 과학제국주의의 위대함을 만방에 선포한 영화로 볼 수도 있을 것이다. 또한 결정적인 순간마다 쿠퍼 부녀에게 나타나 길을 안내해준 ‘그들’로 지칭되는 미래 인류의 헌신에 비추어 보면, 이 영화는 미래로부터 온 인류(터미네이터처럼)가 자신들의 현재 삶을 보장하기 위해 쿠퍼부녀를 대리인으로 삼아 자신들의 조상을 구출하는 이야기로도 볼 수 있을 것이다. 약간 삐딱한 시선으로 본다면, 검증을 최고의 덕목으로 하는 물리학의 성과에 의존하면서도 아직 검증되지도 않은 동면, 웜홀, 정보역설, 초끈이론에 기반한 5차원의 세계를 통해 지구인을 구출해 냈다는 점에 비추어 보면, 과학을 표방한 비과학적인 영화로도 읽을 수 있을 것이다.
그런데, 이 영화처럼 지구가 중력이상으로 인한 기후 재앙에 휩싸이면 우리는 새 행성을 찾아야만 한다. 하지만 아무리 물리학과 기술력이 발전하더라도 해도 우리는 시간의 벽에 부딪힐 수밖에 없다. 오리온자리까지 2만 6천광년, 우리은하와 가장 가까운 은하라는 안드로메다까지 250만 광년이 걸린다. 이러한 점에 비추어 본다면, 이 영화는 시간, 공간의 본질, 시간의 존재 양상등의 물음을 기저에 깔고 궁극적으로 공간과 시간을 극복하려는 인간의 원대한 욕망을 그린 영화로 볼 수 있을 것이다. 덧붙여 이 영화는 일체의 분열을 극복하려는 영화, 즉 초끈이론을 통해 상대성이론과 양자역학의 통합을 갈망하고, 또 과거는 사라져 버렸고 미래는 오지 않아 오로지 현재만 존재하는 시간의 분열된 모습에 안타까워 하면서 미래인류, 현재의 쿠퍼와 과거의 딸과 3인 3시대 합작으로 인류를 구출하였다는 점에서 과거 현재 미래의 통합을 열망하는 영화, 그리고 이러한 통합이 이루어지는 장소가 블랙홀이었다는 점에서, 기존의 파괴와 죽음의 블랙홀에 대한 오명을 걷어내고 어머니의 자궁처럼 평화와 생명, 화합과 통합의 고향 으로서의 블랙홀로 그 이미지와 상징을 재정립한 영화로도 읽을 수 있을 것이다.
2. 영화의 쟁점
1) 주위의 가르강튀아라는 블랙홀등 질량이 엄청난 행성들 때문에 시공간이 왜곡되어 밀러행성의 1시간은 지구의 7년에 해당한다. 쿠퍼(매튜매커너히), 아밀리아 브랜든(앤 하서웨이)이 물바다인 밀러행성에서 43분 지체했을 뿐인데 로밀리(데이비드자시)는 23년 4개월이나 늙어 버린다. 이와 관련하여 시간팽창에 관한 아인슈타인의 상대성 이론을 살펴본다.
2) 인류를 구하기 위하여 우주로 떠나는 그들에겐 플랜 A와 플랜B가 있다. 그런데 플랜 A를 실현하려면 우주 기지(쿠퍼 스테이션)에 중력을 발생시켜야 한다. 이를 위해 중력방정식을 풀어내야만 한다. 따라서 그들의 미션, 나사로 미션은 두가지 방향에서 실행된다. 인간이 살만한 보금자리를 찾는 것, 또 하나는 블랙홀에 있는 중력방정식에 대한 정보(데이터)를 알아내어 전송하는 일이다. 이와 관련하여 블랙홀내의 특이점에서의 정보문제에 대해 알아본다.
3) 나사로 미션의 총책임자인 브랜드 박사(마이클케인)은 대원들을 속인다. 블랙홀의 접근 문제 때문에 중력방정식을 풀 수가 없다는 것을 알고도 플랜A가 가능한 것처럼 모두에게 거짓말 한 것이다. 또 만 박사(멧 데이먼)는 자신의 행성이 인간이 살기에 부적합함을 알고도 데이터를 위조하여 적합하다고 신호를 보낸다. 거짓말한 이들 행위의 도덕성을 살펴보기로 한다.
4) 만 박사의 만행으로 인듀어런스호는 장애를 일으키고 연료는 부족하여 에즈먼드 항성까지 가기가 요원하다. 이에 쿠퍼는 블랙홀로부터 에너지를 얻는 방안을 강구한다. 이와 관련하여 펜로즈현상을 짚어본다.
5) 이 영화는 블랙홀에 대한 새로운 시각을 제시하고 있다. 기존의 암울하고 부정적인 이미지 였던 블랙홀을 상대성이론과 양자역학이 만나는 장소, 과거 현재 미래가 사랑을 매개로 소통하는 장소로 자리매김한다. 이와 관련하여 호킹복사, 정보의 역설, 시간의 방향 문제를 되새겨 본다.
2. 지구의 상황
가까운 미래. 지구는 중력이상 현상으로 기후재앙을 맞는다. 밀 오크등 농작물들을 경작할 수가 없다. 옥수수 농사도 겨우 유지할 정도이고 대규모 황사대란으로 세상은 먼지투성이다. 모두 마스크를 써야만 하는 세상이다. 지구 멸망은 시간 문제일 뿐이다.
3. 대책
이 절체절명의 위기에 나사의 브랜든 박사는 플랜 A와 플랜 B를 가동한다. 플랜 A는 인류가 생존할 수 있는 새로운 행성을 찾아내어 지구상의 인류를 이주시키는 계획을 말하고, 플랜 B는 지구상의 인간들은 버리고 5000개 이상의 수정란 900KG로 대리모 방식으로 30년 이내에 수백명으로 키워내면 유전적 다양성 문제도 해결한다는 계획이다. 미래 인류로부터 인류를 구할 인물로 선택받은 쿠퍼는 그들의 도움과 안내로 비밀조직이 되어 버린 NASA에 합류한다. 쿠퍼는 인류는 기어코 해결책을 찾을 수 있다는 낙관주의를 피력한다.
4. 우주로
1) 딸의 반대에도 불구하고 쿠퍼는 우주 모험의 결단을 내린다. 딸 머피가 아빠의 안전과 가족의 행복을 위하는 개인주의 내지 가족주의를 중시한다면 쿠퍼는 전 인류를 위한다는 전체주의 내지 공동체주의를 대표한 셈이다. 이런 상황에서 개인주의냐? 전체주의냐?는 별 의미를 가지지 못한다. 인류 멸먕의 위기에서 당연히 전체주의가 개인주의보다 먼저여야 할 것이다. 개인주의가 의미를 갖는 상황은 독재나 권위주의, 전체주의 정부하에서 일 것이다.
인류의 새로운 보금자리를 찾아 쿠퍼(매튜매커너히)는, 아밀리아 브랜든(앤 하서웨이) 로밀리(데이비드 자시), 도일(웨스 벤틀리)등 4명의 대원, 그리고 인공지능 로봇인 타스와 케이스는 로켓을 타고 지구를 떠나 우주선인 인듀어런스호에 도킹한다.
본격적인 시간 공간과의 싸움이 시작된 것이다. 이 영화의 악당은 외계인도 괴물도 아니다. 시간 공간을 극복해 내지 않으면 인류의 미래는 없다. 시간과 공간의 본질은 무엇인가?
[시간/ 공간은 존재하는가?]
보통 우리는 시간을 어떤 사물의 운동 변화를 통해 인지할 수 있을 뿐이다. 꽃이 피고 지고, 태양이 뜨고 지고등등. 이는 시간은 우리가 감각으로 경험할 수 없는 추상물이기에 그렇다. 시간은 변화의 척도라면서 아무것도 변하지 않으면(운동하지 않으면) 시간은 흐르지 않는다고 주장한 아리스토텔레스의 견해도 이에 해당한다고 볼 수 있다.
또한 공간의 개념 역시 우리가 감각 경험할 수 없는 추상물이다. 이 점에서 장소나 거리등 구체적으로 감각 경험할 수 있고 측정할 수 있는 개념과는 구별해야 한다.(때로는 공간을 장소나 거리와 동일 개념으로 쓰기도 하므로 주의해야 한다.) 또 공간은 우주의 빈 부분, 즉 천체의 대기권 바깥 부분을 '공간'이라 하는 천문학의 공간개념과도 구별해야 한다.
철학과 물리학에서 말하는 공간(空間, 영어: space)은 어떤 물질 또는 물체가 존재할 수 있거나 어떤 일이 일어날 수 있는 장소를 의미한다. 예를 들어 책상위에 컴퓨터가 있고, 책이 있고, 고양이가 있다면, 책상 컴퓨터 책 고양이가 각각 위치하고 이들을 구별할 수 있게 해주며 고양이가 운동할 수 있는 터를 공간이라고 지칭하는 것이다. 이는 이론적 개념적 장소이지 구체적 물질적 장소가 아니다. 속칭 우리가 공간이 넓다고 하는 운동장이나 벌판 위의 허공 역시 철학 물리학상의 공간이 아니다. 운동장이나 벌판이 놓일 수 있는 터가 공간인 것이다. 운동장, 벌판위는 어떤가? 허공 하늘에도 물질로 가득 찼다. 산소 탄소 바람 먼지등등.. 이런 산소 탄소, 바람 먼지등의 물질이 놓여 있는 곳이 철학상의 공간인 것이다. 이처럼 공간개념은 시간과 마찬가지로 우리 눈에 보이지 않고 감각경험할 수 없는 추상개념이다. 이런 추상성 때문에 그것이 실재로 존재하는지 의견이 대립하고 있다.
<1>. 객관주의
인간의 외부에 시간 공간이 존재한다는 견해는 절대주의와 관계주의로 나뉜다.
1) 절대주의 - 뉴턴
뉴턴은 시간과 공간은 관찰자와 무관하게 즉 독립적으로 실재(일종의 콘테이너나 빈통)하며 물질의 운동이 기준은 공간이라 주장한다. 물건 없는 콘테이너처럼 물질이 없는 절대 시공간이 존재한다는 것이다. 이는 모든 물질이 사라져도 시간 공간은 남는다는 것이며 신이 만물을 창조하기 이전에도 존재한다고 한다.
또한 시간은 공간과 아무 연관없이 독립적으로 존재한다.(아인슈타인은 이에 반대) 즉 시간이 흐른다고 공간이 변하는 것도 아니고 공간이 변한다고 시간이 변하는 것 아니다. 아울러 시간의 흐름과 공간의 양은 절대적이다. 시간의 흐름은 언제나 똑같고 이는 고정된 수치로 나타낼 수 있으며 공간 또한 시간상의 변화와는 무관하게 독립적인 양을 갖고 있다.
2)관계주의- 라이프니츠
라이프니츠는 시간 공간은 독자적으로 존재하는 것이 아니라 물질들 사이의 관계일 뿐이라 주장한다. 여기서 관계라는 것의 의미를 살펴보자, 남녀가 결혼하여(부부관계) 아들 낳고 이어 딸을 낳으면 친자관계와 남매 관계가 발생한다. 이처럼 관계는 남매가 태어나기 이전에 절대적으로 존재하는 것이 아니다. 또 두 사람이 죽으면 친자관계, 남매 관계도 사라져 버린다. 관계는 독자적으로 존재치 않고 사람이나 사물이 생기면 이에 부수하여 생기는 것이 관계이다. 이와 마찬가지로 시간 공간은 물질들이 생겨나면 그것들의 관계일 뿐이라는 것이다. 따라서 라이프니츠에 의하면 모든 물질이 사라지면 시간 공간도 사라진다. 시간과 공간은 독자적 실체가 아니라 우리 생각의 사물이며 시간은 동시에 존재하지 않는 것들의 보편적 인과적 질서이다.
또한 라이프니츠는 물질은 시간 공간을 향해 운동하는 것이 아니라 물질을 상대로 운동한다고 주장한다.
3) 상대적 시공간론 - 아인슈타인
아인슈타인은 절대시간 절대 공간은 존재하지 않으며 모든 운동은 공간에 대한 운동이 아니라 다른 물질과의 상대적인 운동일 뿐이라 주장한다. 또한 시간과 공간은 서로 독립적인 차원이 아니라 하나의 시공간 차원이며 이러한 시공간 차원은 다른 물질들의 운동에 따라서 변한다. 아인슈타인 이전까지는 시간 공간은 독립적인 차원으로서 시간은 과거에서 미래로 한 방향으로 흐를 수 있는 1차원이며 공간은 전후좌우 상하로 이동할 수 있는 3차원이라 보았지만, 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 시간차원과 공간차원은 독립적이 아닌 서로 긴밀한 관계를 맺는 시공간 4차원이라 주장한다. 이는 상대성이론에서 자세히 살펴보기로 한다.
4) 변증법적 유물론자(마르크스주의자)들의 견해
유물론자들은 시간과 공간은 인간의 의식밖에 독립적으로 존재하며 물질이 영원히 존재하기 때문에 공간 및 시간도 영원하다 주장한다. 시간 공간은 끝이 없고 한이 없다는 것이다. 만약 시간이 무한하지 않고 세계가 영원히 존재하는 것이 아니라면, 세계가 존재하지 않았던 어떤 시간이 있었고, 세계는 시간 밖에 존재하는 어떤 것(신)에 의해 만들어 졌다는 것이 된다. 또한 만약 공간이 무한하지 않고 물질적인 세계가 유한하다면 그 한계 바깥에는 공간 외적인 비 물질적인 어떤것(정신, 의식)이 존재하는 것이 된다. 신과 정신을 부인하는 마르크스주의자들은 이런 논리로 시공간과 물질의 영원성을 주장한다.
<2>. 관념론자들의 시공간
관념론에서는 시간과 공간의 객관적 실재성을 부인한다. 시간 공간은 의식안에 또는 의식에 의해 존재하는 어떤 것이며, 정신이나 의식의 소산이라 주장한다.
1)아우구스티누스는 우리가 과거에 대해 아는 것은 오직 과거에 대해 가지고 있는 현재의 기억뿐이다. 과거 현재 미래 모두 인간의 정신 안에 있다.
2) 버클리는 시간은 주관적 체험형식이다.
3) 마하는 공간 및 시간은 완전히 우리 인간에 의해 만들어진 것이라 주장한다. 우리는 시간을 통해서 사물의 변화를 측정할 수 없고 오히려 시간은 사물의 변화를 통해 얻어내는 추상성일 뿐이라는 것이다.
4) 헤겔은 공간 및 시간은 절대적 이념의 산물인바 그것들은 이념에 의해 그 발전의 일정한 단계에서 만들어 진 것이라는 주장을 편다.
5)형식주의 - 칸트
칸트는 시간 공간은 우리 외부에 존재하는 실재가 아니며 우리 의식에 선험적으로 장착되어 있는 형식이라 한다. 일종의 안경이나 틀이라는 것이다. 우리는 이러한 시간 공간이라는 안경을 쓰고 세상을 바라보아야만 현상의 진리를 파악할 수 있다. 즉 시간 공간은 인간이 세상을 이해하는데 필요한 감성형식이다. 이렇게 선험적으로 우리의 의식에 부착된 시간 공간이라는 틀이 없으면 우리는 그 어떠한 사물도 인식할 수 없다는 것이다.
<3>양자역학의 견해
물리학에서의 시간의 흐름을 입증하는 객관적인 증거는 아직 발견된 적 없으며, 많은 경우 과학 법칙은 과거와 미래를 구별해서 적용되지 않는다. 과학법칙은 시간에 대칭적이어서 과거도 현재도 미래도 동일하게 적용하기 때문이다, 만약 과학법칙이 비대칭적이라면 과거나 미래의 경우 과학법칙을 적용하지 못하게 되는 것이다. 여기서 비대칭성이란 의미를 살펴보자. 일반적으로 좌우 대칭, 시소의 대칭, 다비드상의 대칭, 공처럼 구 대칭성은 쉽게 이해할 것이다. 그럼 시간의 비대칭이란 무엇인가? 어떤 일이나 사물이 과거와 현재가 대칭되지 않는다는 것을 의미한다. 이는 우리가 과거로 갈 수가 없기 때문이다. 즉 시간 대칭이 있다면 우리는 미래와 과거를 같은 선상에서 비교 대조해 볼 수 있다는 의미이다. 결국 시간의 대칭이 없다는 것은 현재를 기준으로 과거로 회귀가 불가능하다는 것을 의미한다. 정리하면 시간 대칭이 있다면 시간은 흐르지 않는 것을 의미하고, 시간 대칭성이 없다면 시간은 흐른다는 의미가 된다.
그런데 근본적으로 시간 대칭이 깨진 물리현상도 존재한다. 양자장이론에 따르면 반물질과 물질 사이의 비대칭성은 시간의 비대칭성과 관련되어 있다. 1964년 케이온의 붕괴에서 입자와 반입자의 근본적인 비대칭성이 관측되면서 시간의 비대칭성이 존재한다는 것이 밝혀진다. 즉 양자역학에서도 시간이 흐른다는 것을 입증한 셈이다. 그럼에도 시간의 흐름은 아직까지는 명확히 밝혀지지 않았으며 실재한다고 말할 근거가 불완전하다. 다만 물리학에서는 실재하냐 안하냐는 중요하지 않고, 이것이 자연현상을 기술하는데 유용한 어휘이냐 아니냐가 가장 중요하다. 시간이라는 개념은 이미 잘 받아들여지고 있기 때문에 실재하는지 아닌지는 크게 중요하지 않다.
4. 동면
다시 영화로 돌아가자. 그런데 인듀어런스호에서 토성까지는 2년이 걸린다. 이 동안 대원들은 모두 동면을 한다. 과연 현실에서 동면은 가능한 걸까?
동면 기술은 우주여행의 게임 체인저가 될 수 있다. 동면을 하게 되면 적재물을 적게 실어 우주선의 무게를 많이 줄일 수가 있고 또한 동면은 비행중 고 에너지 입자에 노출 되는 것을 막아준다. 무엇보다 지루함을 막아 줄 것이다. 마다가스카르에 사는 여우원숭이는 다람쥐 크기인데, 건기에 7개월 동안 겨울잠을 잔다. 이에 대한 실험결과 동면하지 않은 종보다 오래 산다는 것을 밝혀 냈다. 이는 동면이 노화를 막을 수 있다는 암시이다. 그러나 이는 아직 연구중인 과제로 획기적인 성과를 거두지는 못하고 있으나 영화는 미래의 먼일에 가능하다고 보는 듯 하다. 영화에서는 2년간의 동면에 들어간다.
5. 웜홀 (worm hole)로 진입하다
1) 쿠퍼를 위시한 대원들은 토성에 도착하여 웜홀로 진입한다. 나사의 브랜든 박사가 말한다. “50년전쯤 중력이상 현상이 처음 감지 되었다. 컴퓨터가 먹통이 되고 비행기가 추락했다. 이는 토성 근처에서 시공간이 왜곡되어 웜홀이 나타났기 때문이다.”
이에 쿠퍼가 “웜홀은 저절로 만들어지지 않는데 도대체 누가?” 라고 묻자
“그들이 누군지 몰라도 우릴 도와주려 한다. 거기를 통하면 인간이 살 수 있는 세상이 존재한다” 여기서 그들은 중력을 통해 고비마다 쿠퍼와 머피에게 정보를 주고 그들을 인류의 희망으로 이끈다. 그야말로 구세주인 그들은 영화 속에서 외계인, 미래 인류, 우리 자신으로 불린다. 그들은 차원을 넘나드는 문명을 향유하고 있는 존재이다. 그들은 신이라 불러도 무방하리라. 또 그들을 중력 그 자체라 해도 아무 문제가 없을 것이다. 전자기력, 강력, 약력과 달리 차원을 넘나들 수 있는 존재가 중력이기 때문이다.
하여튼 영화는 토성 근처에 웜홀이 있다는 설정을 한다. 그럼 웜홀이란 무엇인가?
2) 웜홀
웜홀이란 우주의 시간과 공간의 벽에 난 구멍이라 비유할 수 있다. 웜홀에 관한 이론은 아인슈타인의 상대성이론을 바탕으로 하고 있는바 웜홀은 우주 공간에서 블랙홀(black hole)과 화이트홀(white hole)을 연결하는 통로를 의미하는 가상의 개념이다. 지나가는 속도가 광속보다 더 빠르고, 블랙홀로 빨려 들어가면 이 통로를 지나 화이트홀로 나온다고 알려졌다. 그런데 화이트홀의 이론적 근간 자체가 부정되었으므로 현재의 웜홀은 화이트홀과는 별개로 취급되고 있으며, 실제로 킵 손은 엄청난 양의 질량과 음의 질량을 가진 물질이 있으면 화이트홀 없이 웜홀을 만드는 게 가능하다고 주장한다. 블랙홀이 회전하면 그 속도로 말미암아 회오리가 생기는데 이것이 웜홀으로 변형된다는 것이다. 이는 시공간을 잇는다 해서 '시공간 통로'라고도 불린다. 아직 증명된바 없지만 지구의 영웅들은 웜홀을 가뿐하게 통과한다.
6. 밀러행성에서
웜홀을 통과한 쿠퍼일행은 에즈먼드행성, 만 박사 행성, 밀러 행성중 우선적으로 방문할 곳을 선택해야 한다. 밀러행성은 가장 가까운 반면 문제점이 있었다. 근처에 가르강튀아라는 블랙홀이 있어 언제 빨려 들어갈지 모른다. 그런 연유로 이 주변의 중력이 무척 강해서 이 행성에서의 1시간이 지구에서의 7년에 해당한다. 이에 시간을 절약하고자 하는 쿠퍼는 포기하고 싶었으나 플랜 B라도 실현해야 한다는 도일의 주장에 따라 가장 시간을 아끼는 방법을 택한다. 연구를 하겠다는 로밀리는 본선에 남겨두고 브랜드, 도일, 그리고 인공지능인 타스는 쿠퍼와 함께 밀러 행성에 착륙한다. 온통 물바다인 행성엔 밀러는 이미 죽었고 산더미 같은 파도의 공격에도 기록장치를 찾으려는 브랜드 때문에 시간을 지체하게 된다. 도일도 사망하고 아무 소득없이 엔듀어런스호에 도착하자 로밀 리가 마중 나온다. 그런데 로밀 리가 팍삭 늙어 버렸다. 무려 23년 4개월이 경과해 버린 것이다.
여기서 시간팽창에 관한 아인슈타인의 이론을 살펴보자
<1> 특수상대성이론
(1) 전제조건
특수상대성이론이 전제하는 가정은 다음 두 가지이다.
1)어느 관성계에서도 물리 법칙은 동등하게 적용된다. 여기서 '관성계'란 일정한 속도로 달리는 열차와 같이 속도의 변화가 없는 등속운동 공간을 말한다.
2) 광속불변의 원칙
시속 100으로 가는 기차를 관찰할 때 관찰자가 어디에 있느냐에 따라 속력은 다르다(속력의 상대성). 평지에서 관찰할 경우는 100, 시속 60으로 동일 방향으로 가는 경우는 40, 반대방향으로 달리는 경우는 160이어야 한다. 그러나 광속은 위 법칙을 무시하고 언제나 일정하다. 이는 마이컬슨 몰리실험으로 입증되었다.
(2) 결론
위의 전제조건을 고려하면 다음 세 가지 현상이 나타난다.
동시성의 상대성, 시간팽창, 길이 축소가 그것이다.
1) 동시성의 상대성
달리는 기차의 중앙에 철수가 앉아있다 가정하자. 기차는 오른쪽으로 질주하고 있지만 철수의 기준으로 보면 기차는 정지하고 있다. 이때 철수가 카메라 후레쉬를 터뜨리면 철수의 입장에서는 불빛은 기차의 오른쪽벽과 왼쪽벽에 동시에 도달한다.
이에 반해 기차밖에 영희가 이를 보면 기차가 오른쪽으로 질주하고 있으므로 불빛은 왼쪽 벽에 먼저 도달하고 오른쪽 벽에 나중에 도달한다. 이는 민수에게는 동시사건이지만 영희에게는 순차사건이 된다. 둘 중 하나를 틀렸다 할 수 없다. 둘 다 맞다. 이를 동시성의 상대성이라 한다.
2) 시간팽창(=시간지연= 시간이 느리게 간다=천천히 늙는다=t가 작다)
이를 증명하려면 공식을 유도하여야 하지만 물리 학도가 아닌 일반일 입장에서는 거추장스럽다. 그래서 이를 직관적으로 해석해 보기로 한다. s=vt(거리= 속력x시간)에서 여기서 v는 언제나 일정(광속불변의 원칙)하다. 이는 v=s/t로 바꿀 수 있다.
만약 철수가 전진하는 기차안에서 천정을 향해 후레쉬 터뜨리면 빛은 위아래 직선(수직선) 이동한다. 하지만 기차밖 영희의 관점에서 불빛은 기차가 오른쪽으로 진행하고 있으므로 대각선 운동을하게 된다. 영희의 관점에서 빛은 더 먼거리(대각선)를 주행한다. 더 먼거리(s가 커진다)를 주행하게 되면 광속 불변의 원칙을 지키려면 t는 커져야 한다. t가 커진다는 것은 시간이 빨리간다는 것이며, 시간이 축소된다는 것이다. 즉 정지하고 있는 영희의 시간은 철수에 비해 빨리간다는 것이다. 이와 반대로 생각하면 철수의 시간은 팽창된다.
거두절미하고 물리학도가 아닌 우리는 결론만 외우면 된다. 우주선(속도가 빠르면)타면 시간이 팽창되어 우리는 천천히 늙는다.
3)거리 축소
빠른 속도로 움직이는 관성계는 시간이 팽창되므로 광속 불변의 원칙을 지키려면 거리는 짧아 져야 한다. v= s/t에서 빠른 속도로 움직이면 시간이 팽창되므로 t는 작아진다. 이에 광속 불변의 원칙을 지키려면 s는 작아져야(축소)되어야 한다. v=30이라 할 때 t가 작아져 20에서 10으로 되었다면 s는 60에서 30으로 축소되어야 광속 30이 일정하게 된다. 이는 측정의 어려움이 아니라 공간의 구조가 그렇게 되어 있기 때문이다. 즉 움직이는 속력에 따라 공간은 상대적으로 변한다.
역시 거두절미하고, 우주선 타면 (빠른 속도로 달리면) 시간이 팽창되니(=시간이 천천히 가니= t가 작은 숫자이니) 거리가 작아져야만 광속 불변의 원칙을 지킬 수 있다. 따라서 우주선 타면 거리가 축소된다.
4) 의미
운동 속도에 따라 각자 시간과 공간을 상대적으로 느낀다는 것이 상대성이론의 결론이다. 따라서, 어떤 속도로 이동하더라도 자기 자신이 체험하기에는 항상 정상적인 속도로 시간이 흐른다. 따라서, 빠르게 운동하면 오래 산다거나 하는 일은 있을 수 없다. 더 먼 날짜까지 사는 것은 가능하다. 비슷해 보이는 말이지만 분명 다르다. 조금 자세히 말하자면, 극단적으로 타임머신에 타고 있는 효과가 나온다고 치면 본인은 주위 사람들에 비해 젊고, 외부 시간 기준으로(= 달력상의 날짜) 오래 살아있을 순 있다. 하지만 본인의 수명은 동일, 즉 본인 외 사람이 빨리 늙거나 세상이 빨리 변해 버리는 효과일 것이다.
<2> 일반상대성이론중 시간팽창
특수상대성이론에 의하면 속도가 빠르면 시간이 팽창하고 공간이 축소된다. 즉 속도가 빠르면 시공간이 왜곡 된다는 것이다. 이를 가속 운동등 운동 일반으로 확장한 것이 일반 상대성 이론이다. 지구를 포함한 행성들은 운동을 하고 있고 우주는 팽창하고 있다. 우주는 멈춰있는 것이 아니라 계속 가속 팽창 중이다. 그 속도는 초기 우주팽창 관측을 통해 67.8㎞/s/Mpc이 될 것으로 예측돼왔지만 실제로는 이보다 9% 빠른 74㎞/s/Mpc이라는 연구결과가 나왔다. 이 수치는 ‘허블상수’로도 불리는데, 은하가 지구에서 330만 광년 멀어질 때마다 초당 74㎞씩 더 빠르게 팽창하고 있다는 의미를 갖고 있다.
따라서 이렇게 가속 운동하는 행성 때문에 시간은 팽창되고 공간은 축소되는 등 시공간이 왜곡된다. 또한 아인슈타인의 일방상대성 이론에 의하면 등가원칙에 의해 관셩력= 중력= 가속도이다. 따라서 가속하는 질량이 큰 물체는 큰 중력 때문에 주변 공간이 휘어진다.
즉 중력은 뉴턴이 주장하는 것처럼 두 물체 사이의 원격작용에 의해 작용하는 힘이 아니라 휘어진 시공간의 곡률 때문에 발생한다. 이 공간의 휘어짐을 다른 말로 바꾼 게 중력이다. 우리가 지구 표면에 붙들려 있는 것도 결국 지구 주변의 공간이 휘어져 있기 때문인 것이다. 이 지구 주변을 공전하고 있는 달이나 인공위성들도 지구 주변의 휘어진 공간을 따라 계속 직진하고 있으며 태양을 공전하고 있는 지구도 태양에 의해 휘어진 공간을 이동하고 있는 것이다.
이러한 주장은 수성의 근일점 변화, 태양을 지나는 빛이 휘어지는 것을 측정한 에딩턴, 중력에 의한 적색편이, 2016년 중력파 검출등을 통해 일반상대성 이론의 옳음을 입증하였다.
7. 이제 어느 행성으로 갈 것인가?- 브랜드와 쿠퍼 논쟁
(1) 시공간의 왜곡으로 무려 23년을 소비해 버린 쿠퍼 일행에 남은 것은 두 행성뿐이다. 에드먼즈 행성과 만 박사 행성. 이두 행성을 가기에는 연료가 부족하다. 이중 어디를 가야하는가? 브랜드는 에드먼즈 행성으로 가자고 주장한다.
“나는 너무 오랫동안 이론에 집착했다. 이제 머리가 아닌 심장을 따르고 싶다. 사랑은 관찰가능하고 강력하다. 더 높은 차원의 존재다. 사랑은 시공을 초월하여 우리가 유일하게 알 수 있는 것이다.”
이에 쿠퍼는 브랜드가 만박사는 우리중 최고라고 했던 대사를 떠올리며 로밀리에게 브랜드와 에즈먼드가 연인임을 밝힌다. 쿠퍼는 브랜드의 결정은 객관적이지 못하고 인정에 이끌린 잘못된 판단이라고 생각한 것이다. 이에 투표로 만 박사 행성으로 결정한다.
(2) 브랜드의 결정과 쿠퍼의 결정- 누구의 결단이 타당한가?
대화의 문맥을 살펴보면 쿠퍼는 어떤 선택을 함에 있어서 객관적이고 합리적인 선택을 해야 한다는 가치관을 가지고 있는 듯 하다. 이에 반해 브랜드는 지금까지는 이론적이고 객관적인 선택을 해왔지만 이젠 지쳤으며 이젠 사랑등 감성적인 선택을 하고 싶다는 것이다. 물리학자로서 브랜드의 이런 태도는 놀랍다. 무엇보다 합리성에 기반한 냉철한 판단을 해야 하는 사람들이 과학자 아닌가? 결국 둘의 논쟁은 사실의 객관성 중립성이 있느냐의 문제로 귀착된다 할 수 있다.
1) 랑케등 실증주의자, 논리실증주의자, 과학자들은 사실의 중립성 객관성을 금과옥조처럼 인정하므로 쿠퍼의 입장에 손을 들어 줄 것이다.
2)하지만 객관은 주관을 떠나서 존재할 수 없으며, 객관적 진리보다는 주관적 의미를 강조하는 훗설등의 현상학자, 보편적 윤리도덕을 부인하고 주관적 개별적 행위도덕을 주장하는 사르트르등의 실존주의자 들은 브랜드의 결정을 지지할 것이다.
3) 영화에서 쿠퍼는 객관적 결정이라며 다수결투표로 만행성을 선택한다. 하지만 만박사 행성에서 쓰디쓴 실패를 맛본다. 이는 시사하는 바가 적지 않다. 가장 과학적인 영화에서 객관적 중립적 선택이 항상 옳은 것은 아니라는 것을 보여준 셈이기 때문이다. 과학영화이면서도 사랑과 감성의 소중함도 외면하지 않은 감독의 사상의 반영일 것이다.
8. 만 박사 행성에서
행성에 도착한 일행은 만 박사(멧 데이먼)를 동면에서 깨운다. 그는 무려 30여년을 동면하면서 구조대를 기다린 것이다.
(1) 드러나는 진실
1) 브랜드 박사(마이클케인)의 거짓말
지구에 있는 쿠퍼의 딸 머피(제시카 차스테인)로부터 메시지가 도착한다. 그녀는 브랜드 박사의 죽음을 알리며 그의 유언을 전한다. “ 내가 널 속였다. 쿠퍼는 돌아올 필요가 없었다”머피에게 사과를 하고 박사는 임종을 한다. 이는 나사로 미션에 플랜A는 없었다는 의미이다. 즉 대원들은 지구로 귀환하지 않고, 이에 따라 지구의 멸망을 방치하고 플랜 B로 새로운 식민지를 건설한다는 의미이다. 이에 머피가 “모든게 다 사기극 이었다. 당신들은 우리를 버렸다고” 절규한다. 이에 만 박사가 그 이유를 설명한다.
“교수님은 이미 방정식을 풀었어. 그런데 상대성이론과 양자역학을 더 조화시키려면 부족했지. 더 많은 데이터가 필요했는데 이는 블랙홀 안에 있어. 우리 세상엔 없는 특이점 말이야. 그런데 블랙홀은 아무도 들어갈 수가 없잖아. 그럼 정거장은 왜 만들었냐고? 대의를 위해서야. 그래야 다들 자신을 잊고 인류를 위해 봉사할 거아니야.”.
그 중력방정식의 해를 구해야만 중력을 자유자재로 조절할 수 있고 이를 통해 지구인들을 우주에 이주시키고 스테이션을 건설할 수 있다. 그런데 중력 방정식의 해는 블랙홀 안 특이점에 있고 그 누구도 블랙홀안에 들어갈 수 없으므로 플랜 A는 불가능하다는 것이다. 이러한 브랜드 박사의 거짓말을 어떻게 평가할 것인가?
a) 공리주의
- 플랜A가 실현될 수 없다고 만방에 선포하는 것은 지구인류를 절망케 하는 것이므로 브랜드 박사의 거짓말은 최대다수의 최대 행복에 부합한다 할 것이다.
b)의무주의
거짓말은 보편타당한 인간의 의무가 아닐뿐더러 그 거짓말이 아무리 다수를 안심시킨다 하더라도 어떤 목적이나 결과와 관련되어 있기에 선의지의 명령이라고 볼 수 없다. 따라서 브랜드박사의 거짓말은 악으로 평가될 것이다. 의무주의는 이처럼 깐깐하고 냉철하다. 언제나 어떤 상황에서도 거짓말을 해서는 안된다는 것이 칸트의 고독한 외침이다.
c)실존주의
보편적 도덕의무를 부인하는 실존주의에 의하면 이는 브랜드 박사의 양심에 따른 고독한 결단이기에 악으로 평가해서는 안된다고 주장할 것이다.
d) 공동체주의 내지 전체주의 입장
공동체의 존속없이 개인은 있을 수가 없다. 따라서 지구를 위하고 인류를 보존하려는 브랜드 박사의 의지는 존중되어야 할 것이다.
2) 만 박사의 거짓말
만 박사는 얼음투성이인 자신의 행성이 인간이 살기에 부적합한 곳이라는 것을 알고 있었다.
그럼에도 데이터를 왜곡하여 웜홀을 통해 거짓 정보를 보내고 자신을 구하러 오게한 것이다.
“내가 찾은 행성이 부적합 할거라고는 상상을 못했어. 땅도 없어. ”
이러한 만박사의 거짓말은 의무주의, 공리주의, 실존주의, 실용주의, 어느 학설에 의해서도 선한행동으로 평가 받지 못할 것이다. 다만 홉스의 이기주의 윤리설에 의하면 만박사 개인의 생명을 위한 당연한 행위로서 평가 받을 것이다.
3) 쿠퍼의 선의의 거짓말
에즈먼든 행성까지 가기엔 연료가 부족한 것을 안 쿠퍼는 블랙홀의 에너지를 이용하여, 소위 팬로즈 과정을 이용하여 브랜드를 에즈먼드 행성까지 보내기로 결심한다. 그러기 위해서는 착륙선과 레이저 호를 떨구어 내야 만 한다. 하지만 쿠퍼는 브랜드와 함께 갈 것처럼 거짓말을 한다. 때가 되자 쿠퍼의 레이저 호는 블랙홀로 떨어지고 브랜드는 홀로 에즈먼드 행성으로 날아간다. 이때 쿠퍼의 거짓말을 어떻게 평가할 것인가?
공리주의, 실용주의, 실존주의, 이타주의 윤리설, 공동체 주의에 의하며 선한 행위로 평가 받을 것이다. 다만 칸트의 의무주의 그녀의 우주선을 구하기 위하여라는 목적을 가진 행위는 선한 행위로 평가 받지 못한다. 아무런 목적이나 원인 동기에 결부됨이 없이 오로지 선한 의지로, 그 일이 오직 선하기 때문에 하는 행위만이 선으로 판단 되기 때문이다. 이처럼 칸트의 의무주의는 우리 보통 사람이 지키기에는 한계가 있다. 성인의 경지에 도달한 사람만이 지킬 수 있는 윤리관이 아닐까 싶지만 그래도 아니 그래서 우리는 더욱더 보물처럼 칸트의 의무주의를 지켜야만 할 것이다.
8. 이별의 기로에서
1)우주선을 장악하려는 만박사와 쿠퍼는 결투를 벌이고 결국 만박사는 우주선을 훼손 시키고 사망한다. 이에 인듀어런스 호는 가르강 튀아 블랙홀로 끌려가고 있다. 이제 남은 행성은 에즈먼드 행성하나인데 연료가 부족하다. 어떻게 할 것인가? 쿠퍼는 블랙홀 사건의 지평선 근처까지 끌려가다가 그 힘을 역이용해 에드먼즈 행성까지 갈 수 있다 주장한다. 이는 과연 실현가능한 이야기인가?
2) 펜로즈과정
호킹 박사의 스승인 펜로즈는 회전하는 키 블랙홀의 사건의 지평선위에 있는 에고스피어 영역에서 에너지를 추출하고 추진력을 얻을 수 있다고 주장한다. 이 방법으로 에너지를 추출하기 위해서는 블랙홀의 회전 에너지가 사건의 지평선 외부의 시공간의 작용권(에고 스피어)에 위치해야 한다. 작용권에 위치한 모든 물체는 회전하는 시공간에 의해 끌리게 된다. 작용권 안에 들어간 물체는 회전 운동을 하며 회전 운동에너지가 증가한다. 이 과정에서 물체가 두 조각으로 나뉘고, 한 조각은 블랙홀 안으로 들어가지만, 다른 한 조각을 원심력에 의해 블랙홀 밖으로 빠르게 튕겨 나온다. 이렇게 운동량이 나뉠 때 빠져 나가는 조각이 원래 조각보다 더 큰 질량 에너지를 갖도록 만들 수 있다. 즉 떨어지는 조각은 음의 질량 에너지를 얻게 되어, 튕겨 나오는 물체는 들어갈 때보다 큰 에너지를 가지고 나오며, 이 에너지는 블랙홀 자체에서 생긴다.
이 영화가 상영될 때 만 해도 이를 증명할 길이 없는 듯 보였으나 이는 2020년에 다니엘 교수팀이 입증을 시도한다. 그는 흡음기라는 음파블랙홀을 만들어 실험을 한다. 음파도 흡음기의 회전 영역에 진입하여 흡수되나 흡음기의 회전력에 의해 에너지를 얻어 튕겨나오는 현상을 발견하였다. 이로써 펜로즈 과정이 근거 없는 것이 아니라는 것을 입증한 셈이다. 이를 근거로 그는 무한하게 발전한 외계 문명은 블랙홀 근처에 식민지를 세우고 반드시 블랙홀을 동력삼아서 에너지르 뽑아 쓸것이라 주장한다.
3) 에즈먼드 행성까지 가기에 연료가 부족한 것을 안 쿠퍼는 팬로즈 과정을 이용하여 브랜드 박사를 에즈먼드 행성에 보낼 것을 결심한다. 그리하여 인공지능 타스를 태운 착륙선 1호와 자신이 탑승한 레이저 2호를 분리한다. 그녀만이라도 보내기 위한 어쩔 수 없는 선택이었다. 인듀어런스 호는 이러한 팬로즈 과정을 통해 블랠홀로부터 에너지를 얻고 결국 브랜드는 에즈먼드 행성에 무사히 도착한다. 그 댓가로 착륙선 1호와 레이저 2호는 블랙홀로 떨어진다.
9. 블랙홀에서
(1) 블랙홀에 사람이 들어갈 수 있는가?
1) 부정적인 견해
총책임자인 브랜드 박사(마이클케인)가 중력방정식을 포기해 버린 이유는 블랙홀의 특이점에 아무도 들어갈 수 없기에 그 정보데이터를 얻을 수 없다는 이유였다. 브랜드 박사의 딸(앤하서웨이)도 동일한 견해를 피력한다. 밀러행성에서 수십년을 잃어버린 쿠퍼가 그녀에게 블랙홀로 들어가서 시간을 거슬러 갈 수 있는 방법은 없는가 묻자
“시간은 상대적이어서 늘어나고 줄어들 수는 있어도 거꾸로 돌릴 수는 없다. 시간처럼 차원을 넘나드는 유일한 것은 중력뿐이다”
만 박사 역시 부정적이다.
“”상대성 이론과 양자역학을 조화시키려면 더 많은 데이터를 봐야하는데... 우리 세상에 없는 특이점 말이야... “
이때 로밀리도 거든다
“블랙홀이 조개라면 특이점은 그 안에 든 진주야. 하지만 중력이 너무세서 사건의 지평선 너머의 어둠속에 항상 감추어져 있어. 블랙홀 안을 볼 수 있다면 중력의 비밀을 풀 수 있는데 아무 것도 나오지 못해. 그건 불가능해 쿠퍼”
2) 블랙홀에 사람이 들어갈 수 있다.
하지만 만 박사 행성에서 플랜 A가 거짓이었다는 사실을 안 쿠퍼는 가족에 대한 사랑 때문에 지구로 돌아가고 싶어하자 부정적인 견해를 피력했던 로밀리가 23년 연구를 한 끝에 쿠퍼에게 지구귀환에 대한 제안을 한다.
“블랙홀 안에 들어가 보라. 그럼 시간도 손해 보지 않아. 지구를 구할 가망성도 있고...가르강 튀아 블랙홀은 회전을 해. 부드러운 특이점이지. 물질 간 작용하는 중력이 아주 빨라서 지평선을 빠르게 통과하면 무사할지 몰라..통과한 이후는 아무도 모르지. 모든 형태의 에너지를 전송할 수 있는 탐사선이라면 특이점을 관찰하고 양자 데이터를 전송할 수 있을지 몰라..”
로밀리는 호킹복사이론에 근거해 블랙홀에 들어가도 빠져 나올수 있다고 주장한 셈이다. 이들의 주장을 한번 살펴보기로 한다.
(2) 기존의 블랙홀 이론
1) 아인슈타인의 상대성이론에 의하면 중력이 거대한 별(=질량이 엄청난 별)이 생명을 다하여 붕괴되면 시공간을 왜곡시켜 블랙홀을 만들어 낸다고 한다. 이 블랙홀의 경계인 지점을 사건의 지평선이라 하는데 이를 넘어간 모든 것들은 빛을 포함헤서 결코 어떤 것도 빠져 나오지 못한다고 주장한다. 하지만 정작 아인슈타인은 이렇게 극단적인 천체는 말이 안된다며 블랙홀의 존재를 믿지 않았다. 이 영화 상영당시에는 블랙홀은 이론적으로만 존재했지만 2019년 과학자들 처녀자리 은하에서 블랙홀 촬영하는데 성공하여 그 존재를 입증하게 되었다.
2) 존휠러
존휠러는 블랙홀 근처에서 열역학 제 2법칙(엔트로피 증가법칙)은 적용되지 않는다고 주장한다. 블랙홀은 물질을 빨아들이기만 하고 뱉어내지 않으므로 계의 무질서도가 사라진다. 블랙홀 속으로 빨려 들어간 물질들은 사건의 지평선 너머 특이점에 도달하여 무한히 작은 크기로 압축된다. 사건의 지평선에서 특이점 까지는 텅비어 있는 시공간이다. 이 공간에서는 물질과 입자들이 떠돌아 다닐 수가 없다. 또 블랙홀의 중심에는 원자보다 작은 점모양의 특이점이 있는데 이 특이점 속에 블랙홀에 빨려 들어갔던 모든 물질이 모여있다. 부피는 0이고 밀도와 시공간 곡률은 무한대 인 점이 특이점이다. 이는 열역학 제 2법칙을 깨뜨린다.
(3) 최근의 블랙홀이론- 호킹복사
양자역학에서 불확정성의 원리를 주장한 하이젠베르크에 의하면 진공상태는 텅빈 상태가 아니다. 이 진공에서 전자하고 양전자(반입자)가 쌍생성 되었다가 다시 합쳐져 쌍 소멸한다. 이 과정은 끊임없이 반복되면서 엄청난 에너지가 진공에서 계속 요동치고 있다. 이를 양자 요동 또는 양자 떨림이라 한다. 즉 양자역학의 세상에서 진공은 에너지로 가득한 세상이다. 호킹은 이점에 주목하여 호킹 복사를 주장하였다.
블랙홀 근처에서는 불확정성의 원리에 따라 양자 요동현상이 나타나는데 이때 입자와 반입자가 쌍생성 되었다가 쌍소멸한다. 만약 사건의 지평선 근처에서 입자가 쌍생성 되었을 때 입자 하나가 사건의 지평선을 넘어서 블랙홀로 빨려 들어가고 나머지 하나는 빨려 들어 가지 않는다면 과연 어떻게 되는 것일까?
이때 음의 에너지를 가진 입자가 블랙홀로 빨려 들어간다면 양의 에너지를 가진 입자는 블랙홀 밖으로 빠져 나간다. 둘이 다시 만나야만 쌍소멸 할 수 있는데 양의 입자는 우주를 떠돌게 된다. 에너지 보존의 법칙에 따라서 빨려 들어간 음입자의 에너지만큼 블랙홀의 질량은 감소해야 한다. 따라서 블랙홀의 질량은 복사 에너지 형태로 블랙홀 외부로 분출된다. 이때 블랙홀이 빛을 방출하고 있는 것처럼 보일 것이다. 이것이 바로 호킹 복사이다.
호킹에 의하면 블랙홀은 빛을 방출하고 블랙홀도 증발하며 소멸하게 된다. 이는 블랙홀에서 그 무엇도 빠져나오지 못하며 블랙홀은 영원히 존재한다는 기존의 블랙홀 이론을 수정한 것이다. 또한 호킹 복사에 따라서 블랙홀이 온도가 있고 복사에너지 방출한다는 것은 블랙홀도 엔트로피를 가졌다는 의미이므로 블랙홀도 열역학 제 2법칙 타당하다는 의미가 된다. 이로써 호킹복사에 의해 블랙홀에서의 상대성 원리와 열역학 제2법칙이 통합된다.
10. 5차원 규브
인공지능 타스와 함께 블랙홀에 들어온 쿠퍼는 테서랙트라는 5차원 큐브에 도착한다. 여기서 쿠퍼는 과거로 돌아가 10살의 머피의 방과 마주친다. 온통 머피의 방이고 머피의 과거가 사라지지 않고 온전히 살아 있다. 과거 현재 미래가 병렬되어 있는 것이다.
그렇다면 5차원 세상은 어떻게 가능할까? 그리고 과거는 사라지는 것일까? 아니면 현재 미래와 함께 병렬되어 있는가? 이는 시간이 흐르는가의 문제이다. 이에 대해 알아보자.
(1) 5차원세상
1)블랙홀의 크기를 보면 일반 상대성 이론을 적용해야 하나, 중심의 특이점을 보면 양자역학을 적용해야 한다. 이처럼 블랙홀은 거시와 미시세계가 만나는 장이기에 상대성 원리와 양자역학이 만나는 장이다. 그런데 양자의 세계에 아인슈타인 상대성 원리는 적용되지 않는다. 양자의 세계는 에너지 덩어리들이 정신없이 떨리는 공간 즉, 위 아래 오른쪽 왼쪽 개념이 없고 시간의 개념도 없는 불확정성과 불안정성이 특징이다. 이에 물리학자들은 양자역학으로 블랙홀을 설명하려 했지만 역시 실패한다. 이러한 통합의 노력의 일환으로 초끈이론이 등장하는바 초끈이론은 10차원 11차원의 세계를 상정한다.
2) 1차원 선이 휘면 2차원이 되고 2차원 면이 휘면 3차원 공간이 휜다. 아인슈타인의 일반상대성 이론에 따라 중력에 의해 4차원 시공간이 휜다면 세계는 5차원 이상이라는 의미가 된다.
3) 통합의 노력
물리학은 오컴의 면도날 이론인 ‘단순한 것이 진리’라는 진리의 깃발하에 분열되었던 것들을 결코 좌시하지 않는다. 그야 말로 목숨을 걸고 통합에 나선다. 아리스토텔레스가 낙하운동하는 지상계와 원운동하는 천상계로 분리시켰던 세계를 뉴턴은 만유인력으로 양 세계를 통합했다. 또한 맥스웰은 전기장과 자기장을 전자기장으로 통합하였다. 아인슈타인은 시간과 공간을 통합하였고 시공간의 휘어짐으로 중력까지 통합하여 중력= 가속도= 관성력임을 입증하였다.
현재 우주에 존재하는 힘은 4가지로 알려져 있다. 전자기력, 중력, 강력(핵력), 약력이다. 아인슈타인은 통일장이론으로 이들을 통합하려 노력했지만 결국 실패한다. 중력을 제외한 3개의 힘은 특정온도에서 수학적으로 동일해지는 지점이 있는데 오로지 중력은 온도의 영향을 받지 않아서 통합이 불가능하였던 것이다.
< 초끈(SUPER STRING)이론>
1) 학자들은 핵력을 설명하는 공식이 200년전의 오일러공식과 비슷하다는 것을 발견한다. 이는 우주의 만물을 1차원의 물질로 가정하고 만든 공식과 유사하였던 것이다. 여기서 힌트를 얻은 학자들이 우주는1차원의 끈으로 이루어져 있다는 가정을 한다. 그러자 아인슈타인의 통일장 이론의 답이 보이기 시작한 것이다. 즉 만물이 1차원 끈으로 이루어져 있다면 우주가 11차원으로 이루어지고 우주의 4개의 힘은 하나로 통합 가능했던 것이다.
2)초끈이론 요약
일반상대성이론은 질량이 있는 물체는 시공간을 휘어지게 만들고 양자 역학은 매우 작은 시공간에서 양자 요동이 일어난다. 이 양자 요동으로 인해 미시세계의 시공간이 매끄럽게 휘어지지 않았던 것이다. 과학자들은 미시 시공간을 매끄럽게 휘어지게 하는 방법은 무엇일까 고민한 끝에 바로 물질의 최소크기가 이 양자 요동이 일어나는 크기보다 크다면 양자 요동은 무시할 수 있다는 결론에 도달한다. 즉 시공간이 매끄럽게 휘어지지 않아서 모순이 생기는 이유는 우주의 모든 물질은 크기가 무한히 작은 하나의 점(0차원)으로 이루어졌다고 가정하였기 때문이었다. 이에 따라 일군의 학자들이 점이 아닌 1차원이자 물질에 크기를 부여한 끈을 만물의 근본으로 생각해 보았다. 이렇게 하면 끈보다 작은 물질은 우주의 모든 방법을 사용해도 관측이 될 수 없다. 관측이 물리적으로 불가능하다는 것은 존재하지 않는다는 것 의미한다. 이 길이를 플랑크 길이라 한다. 이 플랑크 길이 내에서 나타나는 양자요동은 평균값으로만 나타내면 된다. 이렇게 하면 양자 요동의 문제를 해결하고 양자역학과 상대성이론 통합이 가능한 것이다.
이제 우리가 사는 우주는 플랑크 길이를 한 개의 픽셀로 구성하고 있는 공간이라는 의미를 지닌다. 즉 무한히 작은 아날로그 공간이 아니라 일정 크기 이하는 존재하지 않은 플랑크 길이를 한 개의 픽셀로 구성하고 있는 공간이라는 것이다. 이로써 빅뱅론은 수정된다. 이전엔 하나의 점이었지만 끈이론 덕분에 빅뱅의 최소크기는 플랑크 길이라고 정의된다. 우주를 최대한 작게 수축시켜도 플랑크 길이 이하로는 불가능하다는 의미이다.
4차원 시공간을 우리 눈에 보이는 차원이라 가정할 때 중력을 제외한 3개의 힘은 이 4차원의 시공간에서만 작동한다. 중력으로 시공간 휘어지므로 휘어지는 방향으로 하나의 차원이 더 필요하다. 이처럼 중력을 온전히 포함시키려면 다차원 우주 상정해야 한다. 끈의 진동이 우리가 알고 있는 3차원만이 아니라 우리 눈에 보이지 않는 더 많은 방향으로 끈이 진동하는 것이 가능하다는 것이다.
이처럼 끈이론은 중력과 나머지 힘들의 차이를 차원의 차이로 설명한다. 이론의 정합성을 위해 (1+9)차원 시공간을 도입해야 한다. 양대 이론을 통합하기 위해서는 끈이 진동할 수 있는 방향이 총 9개여야 한다는 것이다. 실제로 중력이 다른 힘들 보다 약한데 이렇게 10차원으로 중력이 흩어진다는 전제를 받아들이면 중력이 왜 가장 약한 힘인지 설명이 된다. 하지만 왜 하필 10차원이어야 하는가는 설명하지 못한다. 이 이론은 증거는 없고 단지 수학적으로만 일치한다. 과학자들은 수학적으로 맞아 떨어지는 아름다움에 이 이론을 놓지 못하고 있다.
3) M이론
최신이론인 M-이론은 이러한 초끈이론의 결함을 보완하려 한다. 초끈이론에 의하면 우주에는 단 5종류의 초끈이론이 존재한다고 하지만 M-이론은 5종류의 초끈 이론을 단 하나로 통합한다. 이 이론은 (1+10) 11차원시공간에서 정의되며 조절 가능한 결합상수가 없다는 장점을 가진다. 이는 우리가 꿈꾸어 왔던 단 하나의 이론이지만 아직은 검증이 되지 않은 이론이다.
(3) 쿠퍼 과거의 딸과 마주하다
5차원 큐브에서 쿠퍼는 어린 딸의 방을 배회한다. 자신의 과거와 마주한 것이다. 큐브는 머피의 시간의 흐름에 따라 배치 배열되어 있다. 즉 과거는 사라져 버리지 않고 현재도 미래도 나란히 병렬되어 보존되어 있는 것이다. 서로 침입이나 간섭할 수 없지만 과거 현재 미래가 병치되어 하나로 존재한다.
이에 대해 시간은 흐르는가? 오로지 현재만 존재하는가? 아니면 현재 과거 미래가 동시에 존재하는가?
1) 시간은 흐른다.
1)열역학 제 2법칙
시간이 흐른다는 것은 과거는 이미 지나갔고 오직 현재만이 존재하며 미래는 아직 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 미래는 현재가 되고 현재는 다시 흘러가 버린 과거가 될 것이다. 뉴턴의 이론으로는 이러한 시간의 방향을 설명할 수 없다. 하지만 볼츠만은 열역학 제 2법칙으로 시간의 방향을 설명한다. 그는 엔트로피(무질서도)가 작은 상태에서 큰 상태로 시간은 흐른다고 주장한다. 과거로 갈수록 엔트로피(무질서) 작아지고 미래로 갈수록 엔트로피가 증가한다고. 이는 빅뱅설의 근거가 되었다. 과거로 무한히 소환하면 엔트로피가 0인 점이 있을 것이다. 그 점에서 세계는 시작했어야만 하는 것이다.
2)양자역학
시간이 흐르는 이유는 주체와 객체로 나누기 때문이다. 즉 관측을 하면 시간이 흐른다는 것이다. 슈뢰딩거 고양이는 관측 이전에는 삶과 죽음의 중첩상태가 계속된다(양자중첩). 즉 시간이 흐르지 않는 것이다. 그러나 누군가 무엇으로 부터인가로 관측이 시작되면 파동함수는 붕괴되고 이제 고양이는 살아있던지 죽어있던지 하나의 상태가 결정되고 그때부터 시간은 흐른다.
이처럼 일단 측정을 하게 되면 시간은 비가역성 비대칭성이 된다. 즉 양자 측정이 시간을 만들어 내는 것이다. 우주 전체는 양자상태이고 양자 측정은 대상을 제외한 우주 전체가 관측자가 된다(최근의 학설). 이때부터 우주 전체의 엔트로피가 증가하게 된다. 시간이 흐르기 시작하는 것이다.
2) 시간은 흐르지 않는다
1) 아인슈타인의 상대성이론에 의하면 모든 사람에게 시간은 똑같이 흐르지 않는다. 특수상대성 이론에 의하면 속도가 빠를수록, 일반상대성 이론에 의하면 중력이 강할수록 시공간의 왜곡이 클수록 시간은 팽창된다. 즉 시간은 속도와 중력에 따라 다르게 흐른다. 이처럼 사람에 따라 시간이 다르게 흐르므로 어떤 사람에게는 과거가 어떤 사람에게는 현재가 된다. 최근세016년에 발견된 중력파는 13억 광년 전에 쌍성계를 이루고 있던 두 개의 블랙홀(하나는 태양의 36배, 또하나는 태양의 29배) 충돌의 결과 합해진 하나의 블랙홀(태양보다 62배의 블랙홀)의 영향이라 한다. 즉 13억년 전의 과거가 지구의 현재가 된 것이다.
또한 아인슈타인의 동시성의 상대성의 개념을 받아들이면 시간은 흐르지 않는다는 결론에 도달한다. 동시성의 상대성을 확장하면 누군가의 과거는 누군가의 현재가 되고 누군가의 미래는 누군가의 현재가 되기 때문이다. 이와 관련하여 안드로메다 패러독스가 있다.
2)안드로메다 패러독스
안드로메다는 우리은하와 250광년 떨어져 있다. 여기서 현재 민수가 농구하는 것과 동시사건은 안드로메다 공주가 화장하는 것이고, 철수가 야구하는 것과 동시사건은 안드로 메다 공주가 산책하는 사건이라 가정하자. 이때 공주의 화장과 산책 사이에 공주가 왕자를 만나는 사건이 있다면 이는 과거사건인가 미래사건인가? 이것이 안드로메다 패러독스이다.
그것은 민수에게는 과거 사건이 되고 철수에게는 미래사건이 된다. (동시성의 상대성 때문에) 이는 누가 옳고 틀리고의 문제가 아니다. 공주가 왕자를 만나는 사건은 과거사건이면서 미래사건인 것이다. 이처럼 동시성의 상대성을 인정하면 과거 현재 미래가 명확히 구분되지 않고 병렬적으로 존재하거나 혼재하게 된다.
아인슈타인은 과거 현재 미래의 구분이 착각일 뿐이라고 믿는다. 퍼트남 또한 과거 현재 미래가 모두 현재일 뿐 즉 시간은 흐르지 않는다고 주장한다. 과거 현재 미래는 모두 현재이며 과거에 벌어졌던 현재에 벌어지고 있는 미래에 벌어질 모든 사건이 지금 다 현재 벌어지고 있는 사건이라는 것이다.
3) 5차원 큐브안에서 미래인류와 현재의 쿠퍼, 과거의 머피는 병렬적으로 존재한다. 이는 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학을 통합하려는 초끈이론이 만들어낸 다차원 세상이다. 3차원인 우리는 우리의 뒤 모습은 볼 수 없지만 2차원의 모든 면을 한 눈에 훓어 볼 수 있다. 즉 한차원 높은 곳에서 보면 모든 것이 다 보인다는 것이다. 이런 논리로 5차원 시공간에 있다면 4차원 시공간에 있는 우리 모습(과거 현재 미래)을 모조리 볼 수 있는 것이다. 쿠퍼는 5차원에 있고 딸 머피는 4차원 시공간에 있기에 쿠퍼는 머피의 과거 현재 미래를 다 볼 수 있는 것이다.
정리하면, 동시성의 상대성, 시간팽창, 거리축소로 인하여 현재 과거 미래는 병렬적으로 존재하는데 이를 5차원의 세계에서 보면 영화속 큐브처럼 4차원의 과거와 현재를 모두 만날 수 있는 것이다. 이처럼 과거 현재 미래는 뒤엉켜 있다. 비유하자면 과거는 한라선처럼 거기 서 있고, 현재는 남산타워처럼 여기 서 있고, 미래는 백두산처럼 우둑 그곳에 서있을 뿐이라는 것이다. 결국 과거 현재 미래가 하나인 것이다.
11. 플랜 A 실현하다. -쿠퍼스테이션에서
(1) 중력방정식을 풀다.
1)총책임자 브랜드 박사는 중력방정식을 풀 열쇠는 블랙홀에 저장되어 있다고 주장한다. 우리 세상에 없는 블랙홀의 특이점에 그 데이터 정보가 있다는 것이다. 로밀리 역시 블랙홀이 조개라면 특이점은 진주라며 블랙홀 안 특이점에 데이터 정보가 있을 거라 주장한다. 머피(제시카 차스테인)역시 그런 주장을 펼친다. 이건 사실일까? 블랙홀안 특이점에 데이터 정보가 있다는 주장과 관련하여 호킹 박사의 정보의 역설을 살펴보자
(2)호킹의 정보역설
1) 과학자들은 물질의 형태는 사라질 수 있어도 물질의 정보는 사라지지 않는다고 주장한다. 소위 정보보존의 법칙이다. 심지어 물질이 블랙홀로 빨려 들어가 형태가 사라지더라도 물질의 정보는 그 안에 어떠한 형태로 존재할 것이라 주장한다. 하지만 호킹의 생각은 달랐다.
그는 블랙홀이 호킹 복사에 의해 우주에서 완전히 사라질 수 있다고 주장한다. 이에 따라 블랙홀 안에 있던 정보도 완전히 사라지게 된다고 주장했다. 이를 정보의 역설이라 한다. 이는 엄청난 문제였다. 정보보존의 법칙이 깨진다면 우주를 지배하는 물리법칙이 무너지는 것이기에 물리학자들은 충격에 빠진다.
2) 하지만 2016년 호킹은 정보는 사라진다는 기존의 자신의주장을 번복한다. 블랙홀안에 있는 정보는 사라지지 않고 사건의 지평선 주변에 있는 광자에 의해 기록 될 수 있다고 물러섰다. 이것은 홀로그램우주론의 근거가 된다. 이러한 광자를 가르켜 ‘부드러운 머리카락’이라 불렀지만 이는 입증을 하지 못하고 있다.
3) 정보에 대한 이러한 논란에도 불구하고 영화는 블랙홀안의 특이점에 정보가 보존되어 있다는 입장을 취한 것으로 보인다. 결국 인공지능 타스는 특이점에서 중력에 대한 정보를 획득하는데 성공한다. 이제 딸 머피에게 정보를 전달하는 일만 남았다. 이때 차원을 넘나 들 수 있는 중력과 함께 또 역시 차원을 넘을 수 있는 유일한 인간의 품성 사랑이 해결사로 나선다. 쿠퍼는 딸에 대한 사랑의 힘과 중력을 이용하여 시계에 이진법으로 데이터 정보를 심어 넣는데 성공한다. 머피 역시 아빠에 대한 사랑의 힘으로 이를 알아내고 중력방정식을 풀고 나서 유레카를 외친다. 이로써 플랜 A가 실현될 수 있었고 쿠퍼 스테이션이 건설되어 인류는 새로운 안식처를 건설할 수 있었던 것이다.
4) 현재 과거 미래의 만남과 소통, 중력방정식의 해답, 이 모든 것이 블랙홀안에서 이루어 진다. 죽음과 공포의 공간이었던 블랙홀이 생명과 사랑의 공간으로 재탄생한 것이다. 이제 우주의 존재자들에게 블랙홀은 어머니의 자궁과 같은 안락함과 평화를 주는 공간으로 자리매김한 것이다. 이로써 블랙홀은 우주의 영원한 고향, 우주의 어머니의 상징으로 우뚝 서게 될 것이다. 이는 영화사적으로 문학사적으로 의미 깊은 일이다.
12. 맺으며
이 영화는 상대성이론과 양자역학의 통합을 간절히 기원하며 그 바탕에서 인류와 우주의 행복이 증진될 수 있다고 주장한다. 이러한 과정에서 죽음과 공포의 공간에서 평화와 안식의 공간으로 자리매김한 블랙홀의 의미는 결코 과소평가 할수 없을 것이다. 아울러 과거와 현재와 미래의 통합을 이야기하는 영원주의에 대한 갈망도 빼놓을 수 없는 성과라고 할 것이다.
감독이 동면, 웜홀, 5차원세계등 증명되지 않은 것들을 과감히 영화화 한 것은 단지 상상력차원이 아니라 이들이 가까운 미래에 사실로 입증될 수 있다는 소망에 기인한 것이라 믿고 싶다. 세기의 명장 크리스토퍼놀란 감독의 소망이 곧 우리 인류의 소망일 것이다.
