아인슈타인 일반 상대성이론과 영화 인터스텔라

아인슈타인 일반 상대성이론과 영화 인터스텔라

아인슈타인 일반 상대성이론과 영화 인터스텔라

영화 '인터스텔라'를 보게 되면 시간에 대한 궁금증이 생기게 됩니다. 영화 속에서 밀러 행성에 착륙한 주인공의 시간이 다르게 흐르기도 하고 우주 탐사를 하고 있는 주인공의 시간과 지구에 있는 딸의 시간이 다르게 흐르기도 하는데 주인공이 지구로 돌아왔을 때, 주인공의 딸은 할머니가 되어 임종을 앞두고 있었죠. 도대체 왜 시간이 다르게 흐른 걸까요? 그건 바로 시간이 중력의 영향을 받기 때문이라고 합니다. 이는 아인슈타인의 상대성 이론을 통해 이해할 수 있습니다. 특수 상대성 이론이 빛에 관한 이론이라면 일반 상대성 이론은 중력에 관한 이론이라고 볼 수 있습니다. 우리는 중력이 무엇인지 어느 정도는 대충 알고 있습니다. 지구가 우리를 중력으로 인해 끌어당기고 있기 때문에 우리가 지구에 붙어 있을 수 있는 것이지요. 그렇다면 이 중력이라는 게 정확히 어떻게 생기는지, 또한 이 중력이 시간에는 어떤 영향을 미치는지에 대해 지금부터 아인슈타인의 일반 상대성이론을 통해 알아보도록 하겠습니다.

일반 상대성이론

일반 상대성이론에 따르면 시간과 공간은 다른 개념이 아니라 서로 영향을 주고받는 하나의 개념입니다. 이 시간과 공간을 합쳐 우리는 '시공간'이라고 하는데, 시공간은 우리 눈에 보이지는 않습니다. 하지만 단지 우리 눈에 보이지 않을 뿐이지 분명히 우리 곁에 혹은 어디에나 존재하고 있습니다. 상대성이론에 따르면 중력은 시공간의 곡률에 의해 발생됩니다. 시공간의 곡률이란 쉽게 말해, 시공간이 왜곡된다는 것입니다. 이게 무슨 말인지 더 쉽게 알아볼게요. 예를 들어 시공간을 침대 매트리스라고 가정해 봅시다. 평평한 매트리스 위에 사과를 올려놓으면 사과의 무게만큼 매트리스가 움푹 들어가겠죠? 그리고 사과보다 무게가 더 많이 나가는 볼링공을 평평한 매트리스 위에 올려놓으면 사과를 올렸을 때보다 매트리스가 더 움푹 들어가게 될 겁니다. 볼링공이 사과보다 더 무겁기 때문인데 이것이 바로 시공간의 왜곡입니다.

시공간의 왜곡

시공간이란 평평한 매트리스와 같아 그 위에 무게가 있는 물체가 존재할 때 그 무게만큼 주변 시공간이 움푹 들어가게 되는 것입니다. 그렇다면 어떻게 이 시공간의 왜곡으로 인해 중력이 발생할까요? 이번에는 평평한 매트리스 위에 사과와 볼링공을 나란히 올려놓아 봅시다. 볼링공의 무게가 더 많이 나가기 때문에 볼링공 아래 매트리스가 더 움푹 들어가게 되겠죠? 그러면 자연스럽게 옆에 있는 사과는 그 움푹 파인 곳으로 인해 볼링공 쪽으로 빨려 들어가게 될 것입니다. 중력은 이렇게 발생하는 것입니다. 시공간의 왜곡으로 인해 옆에 있는 무거운 물체 쪽으로 나머지 물체가 빨려 들어가는 것이 바로 중력인 거죠. 태양이 지구보다 무겁기 때문에 지구는 태양이 만든 시공간 왜곡으로 빨려 들어가 태양 주변을 공전하고 있는 것이고, 달보다는 지구가 더 무겁기 때문에 달은 지구를 중심으로 돌고 있는 것이 됩니다. 그에 비해 인간은 너무나도 가벼운 존재이기 때문에 지구에 딱 달라붙어 있을 수밖에 없는 것이 되겠죠? 그렇다면 이제 시간에 대해서 한번 알아볼게요. 시간은 어떻게 중력의 영향을 받게 되는 것일까요? 아인슈타인은 시간과 공간이 다른 개념이 아니라 서로 영향을 주고받는 시공간의 개념이라고 했습니다. 이는 즉 시간도 중력의 영향을 받는다는 말이랍니다. 결론부터 말씀드리자면 중력이 강하면 강할수록 시간은 더 느리게 흐릅니다. 다시 침대 매트리스를 예로 들어 설명을 있어나가 보겠습니다. 이번에는 두 개의 거대한 매트리스가 있다고 상상해 봅시다. 하나는 평평한 매트리스이고, 다른 하나는 가운데가 움푹 들어간 매트리스입니다. 매트리스의 끝에서 출발하여 반대편 끝으로 간다고 가정할 때 둘 중 어느 매트리스를 지나가는 데 시간이 더 많이 걸릴까요? 당연히 가운데가 움푹 들어간 곳을 지나갈 때 시간이 더 많이 걸리겠죠? 왜냐하면 움푹 파인 곳만큼 내려갔다가 올라갔다가 해야 하니까요. 중력이 강하다는 말은 무거운 물체에 의해 시공간이 더 많이 왜곡되어 있다는 뜻입니다. 그리고 시공간이 더 많이 왜곡되어 있는 곳을 빛이 지나갈 때 그 시간이 더 오래 걸리게 됩니다. 그 왜곡이 되어있는 곳만큼 더 많은 거리를 이동해야하기 때문입니다. 그렇다면 이제 영화 '인터스텔라'로 돌아가 볼게요.

영화 '인스텔라'에서 본 시간의 차이

'인터스텔라'에서 주인공은 사람이 살 수 있는 가능성이 있어 보이는 밀러 행성에 도착하게 됩니다. 그 행성은 알고 보니 사람이 살 수 없는 행성이었고 몇 시간이 지나지 않아 주인공은 다시 우주선으로 복귀를 하게 됩니다. 하지만 우주선에서 기다리고 있던 선장의 시간은 이미 23년이 지났습니다. 밀러 행성에 있던 주인공의 시간은 단지 몇 시간밖에 흐르지 않았는데 말이죠. 이는 시간이 중력의 영향을 받아 각각 상대적으로 흘렀기 때문입니다. 밀러 행성은 거대하고 무거운 행성이었습니다. 때문에 그만큼 시공간의 왜곡이 많이 생기게 되어 이로 인해 강한 중력이 생기게 된 것이고 밀러 행성의 시간은 느리게 흐른 것입니다. 따라서 밀러 행성에 착륙한 주인공의 시간은 밀러 행성이 만드는 중력의 영향을 받았기 때문에 상대적으로 느리게 흐른 것이죠. 이상으로 아인슈타인의 일반 상대성이론에 대해 알아보았는데요, 이해하기 좀 쉬우셨나요? 지구보다 엄청 크고 무거운 행성으로 여행을 다녀오면 지구에 있던 사람들은 지구의 시간대로 늙어있기에 여행을 다녀온 사람보다 빠른 노화가 일어나 있다는 것인데 정말 신기한 과학 이야기입니다.