Owl's Review_ 정말로 블랙홀 가까이 가면 1시간만에 50년이 지날까? 인터스텔라의 과학!

 

 

 

<인터스텔라>에서 쿠퍼는 파도행성에 약 3시간을 머물렀습니다.

그런데 젊었던 로밀리 박사는 완전히 늙어버린 모습입니다.

 

...

 

쿠퍼가 블랙홀의 중력을 통과할 때는

지구 시간으로 무려 51년이 지났습니다.

이게 도대체 어떻게 된 일일까?

 

...

 

일반상대성이론에 따르면

중력이 강하면 강할수록 시간은 더디게 흐른다고 합니다.

그렇다면 어째서 중력은 시간에 영향을 미치는 걸까?

 

특수상대성이론은

물체가 한 방향으로 그리고 같은 속력으로 움직이는

등속운동의 세계를 가정한 이론입니다.

하지만 현실은

등속운동의 세계가 아닌 가속운동의 세계.

 

그래서 아인슈타인은 일반상대성이론을 통해서

현실 세계를 설명했습니다.

 

 

--아인슈타인의 첫 번째 사고 실험.

 

제가 한 1년 전쯤인가 집에 두부가 떨어져서

두부 좀 사러 나가려고 제 개인 로켓에 탔어요.

근데 이 로켓이 고장이 난 건지 출발을 안 하는 거예요.

그래서 출발도 못하고

무중력의 로켓에 그냥 둥실둥실 돌아다니고 있었죠.

그런데 이 로켓이 갑자기 지 혼자 프락셀로 가속해서

저는 완전히 로켓의 바닥으로 확 쏠려 있었어요.

근데 이게 상황이

로켓이 가속을 멈출 때까지 계속 바닥에 붙어 있어야 되잖아요.

근데 머릿속에 갑자기 이런 생각이 들더라고요.

“내가 한번 가속도를 이겨내고 일어나보면 어떨까?”

그래가지고 한번 일어나 봤는데

꼭 체감상 그거 같더라고요.

그냥 지구에서 누워 있다가 일어나는 거랑 똑같은 느낌이더라고요.

 

 

--아인슈타인의 두 번째 사고 실험

 

이것도 한 1년 전쯤인데

콩나물 좀 사러 나가려고 로켓을 탔는데

이게 또 출발도 못하고 그냥 멈춰 있는 거예요.

그래서 그냥 하염없이 무중력 상태에서 기다렸죠.

근데 또 제 로켓이 말이죠, 창문이 하나도 없어서

바깥을 볼 수도 없고, 바깥 상황도 전혀 알 수가 없거든요.

“에라이, 어차피 우주선도 고장 났고, 마침 배도 고프고 해서

알이나 좀 까먹자” 하면서

알을 낳았어요.

근데 갑자기 저하고 알하고 둘 다 바닥으로 확 떨어지는 거예요.

 

저는 갑자기 궁금해졌죠.

이거 나도 그렇고, 알도 그렇고, 갑자기 왜 떨어진 걸까?

1. 갑자기 우주선이 가속해서 올라가니까 관성 때문에 바닥에 떨어졌다.

2. 우주선 밑에 갑자기 거대한 질량을 가진 별이 나타나서 중력의 영향을 받게 됐다.

 

정답은 과연 뭐였을까요?

정답은 둘 다 맞다.

이게 뭔 개소리야

 

우주선 안에서 바깥 상황을 전혀 알 수 없는 저는

우주선이 가속을 한 건지

우주선 아래쪽에 중력이 강한 별이 나타난 건지

구분할 수가 없어요.

그래서 제가 아인슈타인 형한테 한번 전화해서 물어봤어요.

 

그랬더니 타인이 형이 하시는 말씀이

“허허 리뷰엉이 이런 애송이 녀석

내 상대성이론을 이해하기 시작했구나.

중력과 가속도가 원래 그런 거란다.

원래 이 두 개의 힘은

너무 밀접하게 연결되어 있기 때문에 구별할 수가 없어요.”

“어 그래요?”

 

“땅에 서서 충격을 받는 거나

우주선이 가속하는 바람에 우주선에 서 있게 되는 거나

사실은 같은 거란다, 이 애송인 녀석아.”

 

그렇다면 중력이란 무엇일까?

뉴턴은 만유인력의 법칙으로 이렇게 말했습니다.

“질량을 가진 모든 물체는 서로 끌어당기는 힘이 있다.

이 힘은 두 물체의 질량이 크면 클수록, 거리가 짧으면 짧을수록 커진다.”

수식으로 표현하면 대충 이렇습니다.

 

그런데 아인슈타인은 상대성이론을 통해서 조금 다른 생각을 해냅니다.

중력은 바로 공간에 휘어짐이다.

 

 

--아인슈타인의 세 번째 사고 실험

 

이번에도 마찬가지로

무중력 상태에 부엉이와 알이 있습니다.

 

부엉이가 이 알을 밀면 알은 직선으로 움직입니다.

이때 우주선을 가속시켜보면 어떨까요?

 

부엉이는 수직으로 떨어지는 반면

알은 포물선을 그리면서 이동합니다.

 

빛도 마찬가지입니다.

정지해 있는 우주선에 빛을 쏘면

빛은 수직으로 이동합니다.

그런데 우주선의 속도를 빠르게 가속하면 빛은 휩니다.

더 빠르게 가속해 보면 빛의 경로는 더 휩니다.

이처럼 가속도가 크면 클수록 빛의 휘어짐도 커집니다.

 

아인슈타인의 일반 상대성이론에 따르면

우주선의 가속도는 별의 중력과 같은 힘이다.

우주선이 더 빠르게 가속할수록

즉 중력이 강할수록

빛은 더 휘어진다.

 

그런데 빛은 직선 운동만 하기 때문에 빛은 휠 수 없다.

빛이 휠 수 없다면 무엇이 휘었을까?

휜 것은 바로 공간이다.

 

아인슈타인은 이렇게 결론짓습니다.

“중력이 우리를 끌어당기는 것이 아니라

질량이 만든 공간의 휘어짐이 우리를 잡아당기는 것이다.”

 

 

--에딩턴의 증명

 

아인슈타인의 상대성이론에 따르면

질량이 큰 태양 주변의 공간은 더 휘어지겠죠.

 

1919년 영국의 천문학자 에딩턴은

아인슈타인의 일반 상대성이론을 증명하기 위해

일식을 기다렸습니다.

일식이 시작되고

킹론상 태양 뒤로 가려져야 되는 별을 촬영했는데

에딩턴은 놀라운 것을 발견합니다.

 

원래는 태양 뒤에 있어서 관측이 불가능한 별이

태양의 강한 중력 때문에 공간이 휘어지고

빛이 그 공간을 따라 휘어지면서

태양 뒤에 있는 별을 관측할 수 있었던 겁니다.

 

영화 <인터스텔라>에서

막대한 중력을 가진 가르강튀아 주변으로

빛이 휘어져 보이는 것도 바로 이 때문이죠.

 

/시간과 공간은 상대적이다.

물체의 중력이 클수록 공간의 휘어짐도 커진다.

공간의 수축은 시간이 느려지는 것과 같다.

중력이 강할수록 시간도 그에 따라 더 느려진다./

 

이렇게 상대성이론에 따라서

중력이 정말 강한 블랙홀 옆에

밀러 행성에 잠깐 들렀다가 23년이 흐르고

블랙홀 바로 옆을 지날 때는 51년이 지나버린 겁니다.

이제 모든 상황이 이해가 가시죠?

 

그런데 인공중력은 도대체 어떻게 만드는 걸까?

쿠퍼스테이션 건설이 정말로 가능한 걸까?

다음 영상은 인터스텔라의 중력 방정식입니다.