좌충우돌 남매, <젊음의 샘>을 찾아라!
영화 속 과학 이야기
<젊음의 샘 Fountain of Youth>(2025)는 애플 TV+에서 공개한 어드벤처/판타지 영화이다. 티격태격하지만 근본적으로 사이가 좋은 남매는 고고학자 아버지의 영향으로 비숫한 일을 하며 살아간다. 하지만 오빠 루크(존 크러진스키 분)는 불법, 여동생 샬럿(내터리 포트먼 분)은 합법의 세계에서 잘 나가는 편이다. 어느 날 오빠의 농간으로 샬롯과 아들은 소동에 휘말리게 된다.
보물 사냥의 귀재인 루크는 인생을 뒤바꿀 한탕을 위해 팀을 꾸린다. 하지만 만만치 않게 다기 오는 방해 세력과 위험을 헤쳐 나가는데, 결국 자신보다 더 뛰어난 두뇌와 감각을 소유하고 있는 동생 샬럿을 이 일에 끌어 드린다. 그들의 목적은 죽어가는 재력가 오웬(도널 글리슨 분)의 생명을 연장시키기 위해 젊음의 샘을 찾는 것이고, 인간이 성숙할 때까지 젊음의 샘을 지키려는 '길의 수호자' 에스메(에이사 곤살레스 분, 드라마 <삼체>의 주인공)에게 매번 저지당한다. 그런데 마지막에 빌런이 뒤바뀐다.
감독 가이 리치(Guy Ritchie, 1968 ~ )는 잉글랜드 출신인데, 마돈나의 전남편(2000~2008)이다. 그가 만든 영화 중 우리가 알만한 작품은 <알라딘 Aladdin>(2019)가 있다. 나오미 스콧과 윌 스미스가 나온 애니메이션 실사 영화로 천만 관객을 돌파했다. 또 로버트 다우니 주니어, 주드 로가 출연한 <셜록 홈스>(2009, 2011) 시리즈가 있다. 주로 코미디 장르에 소질이 있다.
일당은 젊음의 샘을 찾을 열쇠를 따라가다며 태국, 영국, 오스트리아를 거쳐 결국 이집트 쿠푸왕의 피라미드까지 갔는데, 뮤온 검출기를 이용해 무덤 아래 알려지지 않은 공간이 있다는 것을 알게 된다. 그들은 영원한 젊음을 얻을 수 있을까? 좌충우돌하며 추격신, 사격신 등이 나오고 무수히 사람이 죽어나가지만, 그리 불쾌하지는 않고 멋진 경치는 덤이다. 15세 관람가다. 인디아나 존스의 현대판이라고나 할까...
이집트의 피라미드(가장 큰 것이 쿠프(Khufu) 왕의 피라미드이다), 위키미디어: Ricardo Liberato쿠푸왕의 피라미드
일당이 노리는 쿠프의 피라미드(Pyramid of Khufu)는 대피라미드(Great Pyramid of Giza)라고도 하는데, 기자의 피라미드들 중 가장 크고 가장 오래되었다. 이집트학 학자들에 따르면 기원전 2560년 무렵에 세워졌고, 완공에는 약 20년이 걸렸다고 한다. 세계 7대 불가사의 중 하나이자 유일하게 현존한 존재이다. 돌도 이렇게 엄청나게 쌓아 놓으면 후손들이 혜택을 본다.
이 피라미드는 이집트 제4왕조의 파라오였던 쿠푸의 무덤으로 추정된다. 원래 높이는 약 146.5m (1311년에 영국 링컨 대성당 건립 전까지 약 3,800년간 세계에서 가장 높은 건축물), 바닥면의 길이는 230.33m이다. 원래 맨꼭대기에는 황금으로 만든 머릿돌인 사각뿔 형태의 파라미디온(pyramidion)이 있었다고 한다. 현대에는 높이 150m 건물을 일반적으로 마천루(Skyscraper)라고 부른다. 우리나라에는 150m 이상(40~50층)의 건물이 281채 있어 현재 세계 6위이다(출처: skyscrapercenter.com)
대 피라미드의 구조, 위키미디어: Jeff Dahl대피라미드는 대부분은 주변에서 채석한 석회암이고 외벽은 원래 반짝이는 백색 석회암으로 덮여 있었으나, 현재는 다 떨어져 나갔다(1303년 크레타 지진이 주요 원인). 왕과 왕비의 방과 관은 화강암으로 만들어졌다. 피라미드 내부에는 총 3개의 방이 있다. 위에서부터 '왕의 방', '왕비의 방'이라고 부르고, 마지막 방은 기반암 아래에 있는데 예전에는 홍수가 나면 물이 차곤 했다고 하나 요즘은 물을 다 빼서 접근이 가능하다.
영화 <젊음의 샘>에서 오웬은 쿠푸왕의 피라미드 지하에 지금까지 발견되지 않은 숨겨진 시설물을 발견했다면서 뮤온 탐사법을 사용했다고 말한다. 뮤온 탐사법을 알려면 뮤온이 뭔지를 알아야 하는데, 그러려면 입자물리학을 좀 알아야 한다.
입자 물리의 표준모형
물리 기본 입자의 표준모델, 위키미디어: public domain옛날에는 세상을 구성하는 자를 수 없는 가장 작은 단위를 원자(atom)이라고 알고 가르치고 배웠다. 하지만 이제는 사정이 좀 달라졌다. 물리 기본 입자는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 물질의 기본 입자를 의미하며, 크게 쿼크, 렙톤, 게이지 보손, 힉스 보손으로 나뉜다. 쿼크와 렙톤은 물질을 구성하는 기본 입자이며, 게이지 보손은 힘을 전달하는 입자입니다. 힉스 보손은 질량을 부여하는 역할을 한다. 이 기본입자가 결합해서 원자, 분자 같은 합성 입자를 만든다(그런 게 있나 보다 정도만 알면 된다).
페르미온(fermions, 또는 페리미 입자) 중 쿼크 (Quark)는 위 쿼크 (up quark), 아래 쿼크 (down quark), 기묘 쿼크 (strange quark), 맵시 쿼크 (charm quark), 꼭대기 쿼크 (top quark), 바닥 쿼크 (bottom quark)의 6가지 종류가 있다. 양성자와 중성자와 같은 중입자를 이룬다. 렙톤 (Lepton)은 전자 (electron), 뮤온 (muon), 타우 입자 (tau particle)와 각각의 중성미자 (neutrino)를 포함하여 6가지 종류로 경입자이다. 전자는 원자에서 핵 주변을 돌고, 뮤온과 타우 입자는 불안정하며, 중성미자는 전자기적으로 중성이다.
보손 중 게이지 보손 (Gauge boson)은 전자기력을 매개하는 광자 (photon), 강한 상호작용(강력)을 매개하는 글루온 (gluon), 약한 상호작용(약력)을 매개하는 W와 Z 보손 (W and Z bosons)이 있다. 힉스 보손 (Higgs boson)은 다른 입자들에게 질량을 부여하는 역할을 한다.
뮤온이란
뮤온(muon, μ)은 페르미온 중 렙톤의 3 세대 중 두 번째 세대의 전하를 띤 기본 입자이다. 뮤온 입자는 전자와 같이 전하가 -e이며 스핀은 1/2이다. 하지만 전자보다 큰 질량(약 207배)을 갖고 있다. 전자와 같이 경입자로 분류된다. 다른 경입자들과 마찬가지로 뮤온도 하부구조를 가지지 않는 기본 입자로 여겨진다.
비교적 수명이 긴 중성자를 제외하고 나머지 아원자 입자는 불안정하여 수명이 짧아 빨리 붕괴한다. 뮤온 입자도 수명이 2.2 마이크로초(μs)밖에 되지 않는 불안정한 아원자 입자이다. 하지만 특수 상대성 이론에 따른 시간 팽창 효과로 인해 지구 표면까지 도달할 수 있다. 뮤온입자의 붕괴는 약한 상호작용을 통해 일어난다. 뮤온입자의 붕괴는 항상 적어도 세 가지 입자들을 동반하는데, 뮤온입자와 전하량이 같은 전자와 전하를 띄지 않는 양전자 중성미자, 뮤온 중성미자이다.
뮤온은 주로 지구 대기권 상층부에서 우주선(cosmic rays)이 대기 중의 원자핵과 충돌하여 생성된다. 우주선은 주로 양성자와 헬륨 원자핵으로 이루어져 있으며, 이들이 대기 중 질소, 산소 등 원자핵과 충돌하면 파이온(π)이나 케이온(K)과 같은 중간자가 생성된다. 이 중간자들이 붕괴하면서 뮤온이 생성된다. 생성된 뮤온은 거의 빛의 속도로 지구 표면을 향해 쏟아져 내린다. 주로 약한 상호작용과 전자기 상호작용을 한다. 강한 상호작용은 하지 않으므로 물질을 투과하는 능력이 뛰어나다.
뮤온 탐사법
과학자란 뭔가를 손에 넣으면 써보고 싶은 사람들이다. 당연히 뮤온의 경우도 어디에 쓸 수 있을지 궁리하기 시작했다. 뮤온 탐사법(뮤오그라피, Muography or Muon Tomography)은 이 같은 뮤온의 높은 물질 투과력을 이용하여 건축물, 지형, 혹은 지하 구조물의 내부를 비파괴적으로 영상화하는 기술이다. 엑스레이가 사람의 몸을 투과하여 내부를 영상화 듯, 뮤온은 거대한 구조물을 투과하여 밀도 변화를 감지할 수 있다.
물질을 통과하는 뮤온은 물질의 밀도가 높을수록 더 많이 흡수되거나 산란된다. 따라서 뮤온 검출기를 이용하여 특정 구조물을 통과한 뮤온의 양을 측정하면, 뮤온의 통과 경로에 있는 물질의 밀도 분포를 파악할 수 있다. 즉, 뮤온이 특정 영역을 덜 통과했다면 그 부분의 밀도가 높다는 것을, 더 많이 통과했다면 밀도가 낮거나 빈 공간일 가능성이 높다는 것을 의미한다. 이론적으로는 말이다.
스캔 피라미드 미션(ScanPyramyd Mission)
스캔 피라미드 미션은 뮤온 탐사법의 가장 잘 알려진 적용 사례 중 하나이다. 이 프로젝트는 카이로 대학교와 프랑스 HIP 연구소(헤리티지 혁신 보존)가 설계하고 주도하는 국제 프로젝트로 기자의 쿠푸왕 대피라미드 내부를 비파괴적으로 탐사하기 위해 2015년에 시작되었다.
2017년 11월 2일, ScanPyramids 팀은 Nature에 게재된 논문을 통해 대 피라미드에서 세 번째 공간을 발견했다고 발표했다. 대피라미드 내부에 길이 약 30미터에 달하는 거대한 미지의 공간('빅 보이드를' 또는 '스캔피라미드 공극')을 발견했다는 것이다. 이 발견은 뮤온 탐사법의 뛰어난 성능을 입증하며 전 세계적인 주목을 받았다. 비록 직접적인 탐사로 이어지지는 않았지만, 이 공간의 존재는 고대 이집트 건축에 대한 이해를 높일 것으로 기대됐다.
조사팀은 우선 뮤오그래피 분석기를 피라미드 내의 ‘왕비의 묘실(Queen’s Chamber)’의 바닥에 설치했다. 왕비 묘실은 피라미드 내부 가장 낮은 곳에 있는 방으로, 이곳에 분석기를 설치하여 쿠푸왕의 묘실 외에도 그 상부의 미지의 공간을 측정하고자 했다. 분석기를 작동하자 왕의 묘실 같은 이미 알려진 공간뿐만 아니라 예전에는 전혀 확인되지 않았던 길이 30m에 달하는 커다란 빈 공간을 찾아내는 데 성공했다.
조사팀은 또한 뮤온 분석을 통해 얻은 3장의 2차원 영상을 통해 피라미드의 3차원 영상을 구성했다. 컴퓨터로를 이용하여 재구성해보니 새로운 공간은 ‘대회랑(Great Gallery)’과 유사한 것으로 파악됐다. 새로운 공간은 쿠푸왕의 묘실 위에 있는 여러 개의 방들과 비슷한 높이에 위치해 있었는데, 피라미드 중앙 근처에 자리 잡고 있었다. 실험의 해상력의 한계로 방의 개수는 밝혀지지 않았다.
2023년 파리의 샤클레이(Saclay) 대학의 세바스찬 프로쿠르 등은 과학전문지 '네이처'를 통해 2017년에 보고된 셰브론 구역 뒤의 공간(최소 5m 길이)에 대한 적외선 열화상, 지면 투과형 레이더 등의 방식을 통해 보다 자세한 조사결과를 발표했다. 그들은 횡단면 약 2.0m x 2.0m에 길이 9m의 구조물을 발견했다. 내시경을 통해 실제 내부의 모습을 찍어 공개했다.
탐사 장소와 장비의 설치, Sébastien Procureur at al. 2023[사진설명] 하강 회랑(DC)과 알마문 회랑(MC)에 설치된 탐지기. a. 거대한 박공 석회암 빔으로 구성된 셰브론은 쿠푸 피라미드 북쪽 DC의 원래 입구를 덮고 있다. b. 3D 모델과 나고야 대학교의 탐지기 위치, 빨간 점으로 표시된 위치, CEA의 탐지기, 주황색 점으로 표시된 DC와 MC. c–h. 검출기. c는 EM3, d는 EM2, e는 EM5, f는 샤르팍, g는 졸리엇, h는 데겐스를 나타낸다.
대피라미드의 동서단면과 북쪽의 쉐브론 지역의 모습, Sébastien Procureur at al. 2023[사진설명] 대피라미드의 서쪽 단면과 북쪽 면 셰브론 지역의 정면. a 지하 방, b 여왕의 방, c 대 갤러리, d 왕의 방, e 하강 복도, f 상승 복도, g 알마문 복도, h 북쪽 면 셰브론 지역, i 2017년 11월에 발표된 수평 가설(빨간색 해칭)과 경사 가설(녹색 해칭)을 사용하여 스캔 피라미드 빅 보이드. 이 모든 이미지는 전용 레이저 측량 및 사진 측량 데이터를 사용한 3D 모델링을 통해 얻었다.
뮤온 탐사법의 활용
뮤온 탐사법은 그 적용 범위가 매우 넓어 각종 분야에서 활용될 가능성이 점쳐진다. 물론 아직은 X-ray처럼 입자의 발생량의 통제, 해상도 등 해결해야 할 과제가 많은 것은 사실이다. 하지만 X-ray가 우리 삶에 미친 영향으로 보건대 다양한 목적을 위해 사용할 수 있을 것이다.
고고학 및 문화유산 보존: 스캔피라미드 프로젝트처럼 고대 유적지나 건축물 내부의 숨겨진 공간, 매장물 등을 비파괴적으로 탐사하는 데 활용될 수 있다. 이는 비침습적, 비파괴적 기법을 이용하여 유적의 훼손을 최소화하면서 귀중한 정보를 얻을 수 있다.
지질학 및 자원 탐사: 화산 내부의 마그마 흐름, 지진 활동으로 인한 지반 변화, 지하수 흐름, 광물 자원 분포 등을 탐사하는 데 사용될 수 있다. 특히 접근이 어려운 심부 지질 구조를 파악하는 데 유용할 것으로 여겨진다.
토목 공학 및 건축물 안전 진단: 교량, 댐, 터널, 고층 빌딩 등 대형 구조물의 내부 균열, 부식, 밀도 변화 등을 감지하여 안전성을 진단하고 유지보수 계획을 수립하는 데 활용할 수 있다.
원자력 발전소 안전 관리: 원자로 격납 용기의 건전성 검사, 방사성 폐기물 저장 시설의 누출 감시 등 안전 관리 분야에 기여할 수 있다.
보안 검색 및 불법 물질 탐지: 항만이나 공항에서 컨테이너 내부의 밀수품, 폭발물, 핵 물질 등을 비파괴적으로 탐지하는 데 활용될 수 있다.
뮤온검사기의 활용, 위키미디어: Los Alamos National Labs1968년 노벨물리학상을 받은 루이스 월터 앨버레즈(Luis Walter Alvarez, 1911~1988)는 이미 1965년에 이집트의 피라미드 속에 숨겨진 방을 찾기 위해 피라미드에 뮤온장비를 설치할 것을 제안했다. 그는 미국인과 이집트인 과학자로 구성된 국제 물리학자 팀을 조직해서 분석 장비를 설치한 후 실험에 들어갔는데, 이 실험은 1967년의 제3차 중동 전쟁으로 인해 중단되었다가 전쟁 이후에 재개되었다. 미국 물리학 협회에 보고된 1969년까지의 연구 결과에 따르면, 조사한 피라미드 중 19%에서 숨겨진 방이 발견되지 않았다. 또한 1980년 그는 지질학자인 아들 월터 알바레즈와 함께 공룡멸종의 원인이 된 운석 충돌에 따른 이리듐이 다량 포함된 K-T 경계층(K-Pg 경계층)을 발견하기도 했다.
영화 속에는 세계 명소가 등장하는데 볼거리가 쏠쏠하다. 방콕의 69m짜리 청동 불상이 있는 왓 빡남 파씨 짜런(Wat Paknam Phasi Charoen) 사원, 후아람퐁역, 영국 트라팔가광장, 오스트리아 국립도서관은 고전적인 실내디자인을 보여주고, 영국 워커 아트 갤러리에서 홀바인의 "헨리 8세" 그림 앞에서 동생의 남편이 헨리이며 바람둥이라는 대목에서는 나도 모르게 미소가 지어졌다. 비밀이 숨겨져 있는 6개의 그림*이 등장하는데 다 알만한 그림이다. 휴가철 돈 들이지 않고 유명한 곳과 작품을 볼 수 있는 심각하지 않은 영화를 원한다면 바로 이 영화다.
* 카라바조 <그리스도의 체포>, 루벤스 <십자가에서 내림>, 빌덴스 < 엠마오로 가는 길의 그리스도와 제자들>, 벨라스케스 <십자가에 못 박히신 그리스도>, 엘 그레코 <십자가를 지고 가는 그리스도>, 렘브란트 <그리스도의 초상>
참고문헌
1. Sébastien Procureur at al., Precise characterization of a corridor-shaped structure in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons, Nature Communications volume 14, Article number: 1144 (02 March, 2023)
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36351-0
2. 곽재식, 모든 것이 양자 이론, 지식의 숲, 2025
3. 위키피디어
4. 이강영, 보이지 않는 세계, 휴머니스트, 2012
5. 피라미드의 비밀 회랑, 4500년 만에 모습 드러내, 사이언스조선, 2023.3.3
전영식, 과학커뮤니케이터, 이학박사
