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by 짧지식 Jun 01. 2020

영화로 보는 상대성이론

많은 영화에는 상대성이론이 숨어있다

동영상으로도 보러오세요 ^0^

특수 상대성이론 : https://youtu.be/b-Fh0N8jjxo

일반 상대성이론 : https://youtu.be/1bvVhRhQKFA

1. 영화 속 과학적 사실들

어벤저스 엔드게임에서 닥터 스트레인지가 보고 온 수많은 우주들, 앤트맨의 크기가 작아지고 커질 수 있는 이유 등. 이 모든 것들은 과학적 사실에 근거해 만들어진 영화 내용이다. 그렇다면 상대성이론을 담고 있는 영화는 무엇이 있을까? 분명 여러 가지가 있겠지만, 그중 분노의 질주, 혹성탈출, 그리고 인터스텔라를 예를 들어 상대성이론을 설명하고자 한다. (이번 글은, 지난번 상대성이론에 대해 설명한 글을 더 쉽게 설명하는 글이다. 따라서 1편을 먼저 읽고 오길 추천드린다.)

- 한 줄 요약 : 많은 영화에서는 과학적 사실들이 존재한다.

2. 분노의 질주 (특수 상대성이론 - 공간)

분노의 질주는 자동차를 타고 레이싱을 하며 스토리가 전개되는 영화다. 분노의 질주 같은 액션 영화가 상대성이론 하고 무슨 관련이 있을까? 사실 감독이 영화 속에 의도적으로 상대성이론을 기반한 장면을 넣은 것은 아니다. 하지만, 영화 속에는 분명 상대성이론이 존재한다. 이처럼, 우리 또한 항상 상대성이론의 영향을 받고 있다.

분노의 질주에서는 레이싱을 펼치는 두 자동차가 아주 빠른 스피드로 달리는 장면이 나온다. 두 차는 매우 빨리 달리고 있고, 이들의 속도는 비슷하다. 매우 빠르게 달림에도 불구하고, 두 운전자는 서로를 쳐다보고 대화도 나눈다. 이는 우리가 당연하게 생각하지만, 알고 보면 이해하기 어려운 장면이다.

일상생활 속에서의 상대성이론을, 우리는 당연하게 생각하고 있기 때문에 인지하지 못한다.

예를 들어, 내가 가만히 길가에 서있다고 해보자. 내 앞으로 시속 150km로 달리는 스포츠카가 쌩하고 지나간다. 그럼 내가 그 운전자의 얼굴을 볼 수 있을까? 더 나아가, 그 운전자와 대화를 할 수 있을까? 이는 불가능하다. 왜냐하면 1초 만에 그 차는 내 앞을 슝 하고 지나갈 것이기 때문이다. 하지만, 나 또한 자동차를 타고 시속 150km로 그 스포츠카 옆에서 나란히 달린다면, 나는 그 운전자를 볼 수도 있고, 대화도 할 수 있다. 스포츠카 운전자가 150km로 달리고, 나 또한 150km로 달리기 때문에, 우리 둘의 속력은 상대적으로 0km가 될 수 있는 것이다.

이처럼 특수 상대성이론에 따르면, 시간과 공간은 속도에 따라 상대적이다. 공간이 속도에 따라 상대적이기 때문에, 가만히 서있는 나는 스포츠카를 탄 운전자의 얼굴을 보지 못한다. 반대로 내가 옆에서 같은 속도로 나란히 달린다면, 그 운전자의 얼굴을 볼 수 있다. 공간은 절대적인 게 아니라, 나(관찰자)의 속도에 따라 상대적이다. 공간적으로 가만히 서있는 나(속도 0km)에게 스포츠카의 속도는 150km이고, 공간적으로 차를 타고 150km로 달리는 나에게 스포츠카의 속도는 0km이다.

공간은 나(관찰자)의 속도에 따라 상대적이다.

여기서 하나만 더 알아보자. 상대성이론에 따르면, 시간, 속도, 공간 등 모든 것은 상대적이다. 하지만 그럼에도 불구하고, 절대적으로 불변하는 한 가지가 있다. 그건 바로 빛의 속도이다. 이게 무슨 말인지 설명하고자 한다. 예를 들어, 빛의 속도가 150km라고 하자. 그럼 내가 차를 타고 150km로 달리면, 스포츠카 운전자의 얼굴을 볼 수 있듯이, 빛을 볼 수 있어야 한다. 하지만 빛의 속도는 상대적이지 않고, 절대적으로 불변하는 속도이다. 따라서, 내가 빛과 같은 속력으로 달려도 나는 빛을 볼 수 없다. 같은 속력을 냄에도 불구하고, 상대적으로 속도가 0km로 변하지 않는다. 150km로 달리고 있는 나에게, 빛은 여전히 150km로 슝 하고 지나간다.

빛은 나(관찰자)의 속도에 따라 상대적이지 않다.

우리는 모든 것이 상대적인 공간 속에 살고 있다. 따라서 빛의 속도가 불변하다는 개념은, 우리 생활 속에서 나타나기 어려운 현상이다. 따라서 이해하기 어려울 수도 있겠지만, 저렇게 받아들여야 한다. 이해가 안 돼도, 저게 사실이기 때문이다. 모든 것은 상대적이지만, 빛의 속도만은 절대적이고, 변하지 않는다. 그리고 그 빛보다 빠른 것은 없다. 이게 상대성이론의 핵심 내용이다.

- 한 줄 요약 : 공간은 속도에 따라 상대적이지만, 빛의 속도는 상대적이지 않다.

3. 혹성탈출 (특수 상대성이론 - 시간)

특수 상대성이론에 따르면, 시간과 공간은 속도에 따라 상대적이다. 앞서 우리는 공간이 어떻게 속도에 따라 상대적인지에 대해 알아봤다. 그럼 이번에는 시간이 어떻게 속도에 따라 상대적인지에 대해 알아보고자 한다. 영화 혹성탈출을 예를 들어 설명하고자 한다. 혹성탈출에서 주인공은 우주여행을 하다 다시 지구로 돌아왔다. 돌아온 지구는, 시간이 한참 지나 원숭이들이 주인이 되어버린 행성이 되어있었다. 우주선에서는 몇 년이라는 시간밖에 흐르지 않았지만, 지구에서는 수많은 시간이 지나 생태계가 아예 바뀌어버렸다. 이 또한 상대성이론의 개념이다.

상대성이론에 따르면 공간뿐만 아니라 시간도 속도에 따라 상대적이다. 예를 들어보자, 내가 서울에서 출발해 부산까지 걸어간다고 가정해보자. 사람이 걷는 속도는 시속 5km 정도이다. 이 속도로 부산까지 간다면, 대략 20일이라는 시간이 소요된다. 하지만, ktx를 타고 간다고 생각해보자. ktx의 속도는 시속 300km이다. 이 속도로는 서울에서 부산까지 3시간이 조금 덜 걸린다.

같은 거리를 5km 속도로 걸어가면 20일이 걸리지만, 300km 속도의 ktx를 타면 3시간이 걸린다. 즉 ktx를 탄 사람은 걸어가는 사람에 비해, 19일 21시간을 더 벌게 된 것이다. 이처럼 속도에 따라 소요되는 시간은 상대적이다. 속도가 빠를수록 소요되는 시간은 적다. 이 말은 즉, 속도가 빠를수록 시간이 느리게 간다는 것과 같다.

시간은 나(관찰자)의 속도에 따라 상대적이다.

우리는 지구에 있을 때, 지구의 공전 속도에 맞춰 늙어가게 된다. 하지만 만약, 우리가 지구의 공전 속도보다 훨씬 빠른 우주선을 타고 간다고 생각해보자. 그렇다면 지구에 있는 사람과, 우주선을 타고 있는 우리의 시간은 차이 나게 될 것이다. 속도에 따라 시간도 상대적으로 달라지기 때문이다. 속도가 빠를수록 시간은 느리게 흐른다. 그렇기 때문에, 우주선을 탄 혹성탈출 주인공의 시간과, 지구에 있던 사람들의 시간이 다르게 흐른 것이다.

- 한 줄 요약 : 속도가 빠르면 시간이 느리게 흐른다.

4. 인터스텔라 (일반 상대성이론 - 중력/시간)

그럼 이제 일반 상대성이론에 대해 알아보고자 한다. 특수 상대성이론이 '빛'의 속도에 따른 상대성에 대해 다룬 내용이라면, 일반 상대성이론은 '중력'을 받는 물체의 속도에 따른 상대성에 대해 다룬 내용이다. 먼저 중력이 어떻게 생겨나는지를 설명하고, 이후 인터스텔라의 예시와 함께 중력이 시간에 미치는 영향에 대해 이야기해보고자 한다.

아인슈타인에 따르면 시간과 공간은 다른 개념이 아닌, 서로 영향을 주고받는 개념이다. 이 시간과 공간을 합쳐, 시공간이라고 한다. 시공간은 우선 우리 눈에 보이지 않는다. 하지만 우리 눈에 보이지 않을 뿐이지, 분명히 존재한다. 상대성이론에 따르면 중력은 시공간의 곡률에 의해 발생된다. 시공간의 곡률이란, 쉽게 말해 시공간이 왜곡된다는 것이다. 이게 무슨 말인지 설명하고자 한다.

중력은 시공간의 왜곡에 의해 발생하게 된다.

시공간을 매트리스에 비유하고자 한다. 평평한 매트리스 위에 사과를 올려놓아 보자. 그럼 그 사과의 무게만큼 매트리스가 움푹 들어가게 될 것이다. 그러면 이제, 무게가 더 많이 나가는 볼링공을 평평한 매트리스 위에 올려놓아보자. 그럼 사과보다 볼링공 아래 부분이 더 움푹 들어가게 될 것이다. 볼링공이 사과보다 더 무겁기 때문이다. 이게 바로 시공간의 왜곡이다. 시공간이란 평평한 매트리스와 같고, 그 위에 무게가 있는 물체가 존재할 때, 그 무게만큼 주변 시공간이 움푹 들어가게 되는 것이다.

그렇다면 어떻게 이 시공간의 왜곡으로 인해 중력이 발생할까? 다시 매트리스로 돌아가 보자. 이번에는 평평한 매트리스 위에 사과와 볼링공을 나란히 올려놓아보자. 볼링공의 무게가 더 많이 나가기 때문에, 볼링공 아래 매트리스가 더 움푹 들어가게 될 것이다. 그럼 자연스레 옆에 있는 사과는, 그 움푹 파인 곳으로 인해, 볼링공 쪽으로 빨려 들어가게 될 것이다. 중력은 이렇게 발생하는 것이다. 시공간의 왜곡으로 인해, 옆에 있는 무거운 물체 쪽으로 빨려 들어가는 것이 중력이다.

시공간의 왜곡이 많아지면, 더 강한 중력이 발생한다.

사진 출처 : Interesting Engineering

아인슈타인은 시간과 공간이 다른 개념이 아닌, 서로 영향을 주고받는 시공간의 개념이라고 설명했다. 이는 즉, 시간도 중력의 영향을 받는다는 말이다. 중력이 강하면 시간은 더 느리게 흐른다. 다시 매트리스의 예를 가져와 이를 설명하고자 한다. 이번에는 두 개의 거대한 매트리스가 있다고 가정하자. 하나는 평평한 매트리스이고, 다른 하나는 가운데가 움푹 들어간 매트리스이다. 두 매트리스의 끝과 끝을 지나간다고 할 때, 어느 매트리스를 지나가는 것이 더 많은 시간이 걸릴까? 당연히 가운데가 움푹 들어간 매트리스이다. 왜냐하면 그 움푹 파인 곳만큼, 내려갔다 올라갔다 다시 직진을 해야 하기 때문이다.

중력이 강하다는 말은, 더 무거운 물체에 의해 시공간이 더 많이 왜곡되어있다는 뜻이다. 그리고 시공간이 더 많이 왜곡되어 있는 곳을 시간이 지나갈 때, 시간이 더 오래 걸린다. 그 왜곡되어 있는 곳만큼, 더 많은 거리를 이동해야하기 때문이다.

시공간이 많이 왜곡되면, 중력이 강해진다. 중력이 강해지면, 시간이 느리게 흐른다.

그럼 이제 인터스텔라로 돌아와 보자. 인터스텔라에서 주인공은 사람이 살 수 있는 가능성이 있어 보이는 밀러 행성에 도착하게 된다. 그 행성은 알고 보니 사람이 살 수 없는 행성이었고, 몇 시간 지나지 않아 주인공은 다시 우주선으로 복귀하게 된다. 하지만 우주선에서 기다리고 있던 선장의 시간은 이미 23년이 지나버렸다. 밀러 행성에 있던 주인공의 시간은 단지 몇 시간 흘렀을 뿐인데, 우주선에서 기다리고 있던 선장의 시간은 23년이 흐른 것이다. 이는 시간이 중력의 영향을 받아, 각각 상대적으로 흘렀기 때문이다.

밀러 행성은 거대하고 무거운 행성이었다. 때문에 그만큼 시공간의 왜곡이 많이 생기게 된 것이다. 그렇기 때문에 강한 중력이 생긴 것이고, 밀러 행성의 시간은 느리게 흐른 것이다. 따라서, 밀러 행성에 착륙한 주인공의 시간은, 밀러 행성의 중력에 영향을 받았기에 상대적으로 느리게 흘러갔다.

- 한 줄 요약 : 시공간의 왜곡으로 인한 중력이 강해지면, 시간이 상대적으로 느리게 흐른다.

(상대성이론 1편 : https://brunch.co.kr/@marksknowledge/37)

* 참고자료

(1) 상대성 이론 - 뉴턴프레스

(2) 상대성 이론이란 무엇인가 - 제프리 베네트

(3) 아인슈타인의 생각 - 사토 후미타카

(4) 지적 대화를 위한 넓고 얕은 지식 2 - 채사장

* 유튜브 : https://bit.ly/2XOPktn

* 팟캐스트 : https://bit.ly/2LOVuTE

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