<인터스텔라>에서 나오는 5차원과 끈이론, 쉽게 알아보자

Talk. <인터스텔라>에서 나오는

5차원과 끈이론, 쉽게 알아보자!

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인터스텔라 (2014)

Interstellar 

8.2

감독

크리스토퍼 놀란

출연

매튜 매커너히, 앤 해서웨이, 마이클 케인, 제시카 차스테인, 케이시 애플렉

정보

SF | 미국 | 169 분 | 2014-11-06

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해당 포스팅은 크리스토퍼 놀란 감독의 <인터스텔라>에서 나오는 과학이론을 쉽게 풀어쓰기 위한 포스팅으로 <인터스텔라>에 대한 스포일러가 조금 포함되어 있습니다. 그러니 영화를 아직 보지 않으신 분들이나 스포일러를 보고 싶지 않은 분들은 즐겨찾기 추가해놓고 영화를 본 뒤에 읽으시기 바랍니다. ^^

그렇지만 스포일러는 최대한 적게 넣기 위해 이론에 대한 설명 위주로 포스팅을 쓰겠습니다.

ⓒ pixabay

<인터스텔라>는 과학적인 지식이 없어도 재미있게 볼 수 있는 SF영화입니다. 하지만 영화를 보고 오신 분들 중에는 그 속에서 나오는 과학이론에 관심을 가지며 영화 속 숨겨진 메시지나 정보를 찾기 위해 과학공부를 하고 있는 분들도 꽤 많은 듯 합니다. 그래서 사이언스북스에서 영화에서 중요하게 다뤄지는 이론을 가지고 간결하고 쉽게 포스팅을 쓰고자 합니다.

<인터스텔라>에서는 5차원의 개념이 나옵니다. 영화를 보고 오신 분들은 검색엔진에 5차원을 검색해보셨을 수도 있지요. 그때 포스팅이나 사전 등에서 본 5차원 관련 과학자가,

리사 랜들 ⓒ wiki

바로 하버드 대학교 교수이자 물리학자인 리사 랜들 일 겁니다.

우리의 감각은 오로지 커다란 3차원만 경험할 수 있기 때문에, 무한한 여분 차원은 믿기가 어렵다. 하지만 보이지 않는 무한한 차원은 우주에 존재할 수 있는 수많은 기이한 가능성 중 하나이며, 왜 그러한지를 앞으로 이 책에서 보게 될 것이다.

─ 리사 랜들, 『숨겨진 우주』

리사 랜들은 3차원 세계는 5차원 막(브레인)에 매달린 물방울과 같다는 이야기를 합니다. 조금 더 쉽게 말해서 우리가 살아가는 세상은 샤워 커튼에 매달린 물방울처럼 5차원 막에 매달려 있으며, 중력은 5차원 세계에서 작용하는 힘일지도 모른다는 것입니다. 그러면서 아래와 같은 모형을 제시합니다.

여기서 말하는 끈은 흔히 생각하는 눈에 보이는 끈이 아니라 더 이상 세분화할 수 없는 최소의 단위를 말합니다. 이전에는 세상을 구성하는 최소 단위를 하나의 '점'이라고 보았으나 끈이론에서는 1차원 끈이라는 가설을 내세웁니다. 물론 아주아주 작으니 끈처럼 보이기는 커녕, 육안으로 확인할 수도 없겠죠. 끈이론에서는 끈의 진동에 따라 갖게 되는 에너지나 질량, 가지게 되는 힘 등 물리적인 성질이 결정이 된다고 주장합니다.

ⓒ pixabay

이 끈이론은 자연계에서 나타나는 4가지의 힘인 약력, 강력, 전자기력, 중력을 설명하기 위한 시도에서부터 시작이 되었는데요. 그 중 약력, 강력, 전자기력은 3차원에서 이론적으로 설명이 되는 힘이지만 중력은 3차원에서는 이론적으로 설명이 되지 않았습니다.

리사 랜들은 중력에 대해 다음과 같은 의문을 가집니다.

가장 중요한 문제 중 하나는 왜 중력이 우리가 아는 다른 힘에 비해 그토록 약한가 하는 문제이다. 산을 오르는 사람은 중력이 결코 약하게 느껴지지 않을 것이다. 이는 지구 전체가 당신을 끌어당기기 때문이다. 하지만 지구 전체가 작은 클립을 아래로 당기고 있어도, 아주 작은 자석 하나만 있으면 그 클립을 들어올릴 수 있다. 어째서 중력은 작은 자석보다도 약한 것일까?

─ 리사 랜들, 『숨겨진 우주』

그리고 중력은 3차원이 아니라 5차원에서부터 오는 힘이라는 것을 알아냅니다. <인터스텔라>에서 보면 5차원에서 보낸 힘이 우리가 사는 세계에서 중력으로 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 바로 리사 랜들과 라만 선드림이 제시한 위의 모형에서 설명할 수 있는 현상이지요. 5차원에서 가했던 힘이 현 세계에서는 중력의 힘을 전달하는 입자가 되어 중력의 현상으로 나타나는 것이죠.

차원과 끈이론에 대한 이야기는 『숨겨진 우주』의 번역을 맡은 역자들 중 한 명인 김연중 번역가의 옮긴이 후기에서도 훑어볼 수 있습니다.

물리학의 세계와 일상 세계를 연결하는 중력자 랜들

물리학의 세계와 일상 세계를 연결하는 중력자 랜들

이 우주 어딘가에는 이상한 세계가 있다. 그곳에서는 엄청나게 작은 공간으로 여행을 할 수도 있고, 천사들이 자유 계약으로 천국을 지키고 있다. 때로는 하느님과 주사위 놀이를 하기도 한다. 이런 세계가 환상 소설이나 공상 과학 영화에 나오면 우리는 그런 세계를 즐기기는 하지만 존재하지 않은 공상의 산물로 치부하고 만다. 하지만 입자 물리학을 연구하는 이론 물리학자 리사 랜들은 우리가 살고 있는 세계도 그 어떤 판타지 세계에 못지않게 이상하다고 이야기한다.

우주의 탄생과 진화 그리고 종말의 운명을 결정할 중력은 다른 힘들에 비해 한도 없이 약하고, 가로•세로•높이•시간 말고 6개 또는 7개의 차원이 우주 어딘가에 감춰져 있을지도 모르고, 춤추는 끈들이 세상 만물을 만들어 내는 세계가 바로 우리가 알고, 살고 있는 세계이기 때문이다.

이상한 것들을 만들어 내기 좋아하는 물리학자들은 세계가 10차원으로 이뤄져 있으며 초끈이라는 끈 형태의 물체가 근본 물질이라고 이야기한다. 현실의 실험 결과에 기반해 물리 현상을 기술하는 모형 구축자들조차도 세상은 어쩌면 5차원 혹은 6차원일지도 모른다고 이야기한다. 과연 이 기상천외한 이야기들이 맞을까?

하지만 누구도 상상치 못했던 ‘시간 지연’이나 죽은 것도 산 것도 아닌 ‘슈뢰딩거의 고양이’가 사실로 밝혀진 것처럼 언젠가 우리가 살고 있는 세상에 대한 물리학자들의 노력이 구체적인 결실을 맺게 될 것이다.

고등학교 시절 전미 수학 경시 대회 우승과 같이 뛰어난 재능을 보였지만 학자로서 뚜렷한 실적을 내지 못하고 있었던 랜들은 1999년 선드럼과 함께 물리학계가 놀랄 만한 모형을 제안했다. 우리가 사는 세상은 시간 1차원, 공간 3차원으로 이루어진 4차원이 아니라 끝이 평평한 4차원으로 막혀진 5차원이며 다섯 번째 차원이 엄청나게 비틀려 있어 우리는 그것을 보지 못한다는 것이었다. 당시 대학원생이었던 나는 물리학의 가장 큰 난제 중 하나가 해결되었다며 흥분과 놀라움을 감추지 못하던 실험실 선배들의 모습을 기억하고 있다. 후에 리사 랜들의 이론 역시 하나의 모형일 뿐이며, 실제 현상을 설명하기 위해서는 무수히 많은, 소설 같은 가능성들을 검증해야 한다는 것을 깨닫고 끈 이론 연구로 돌아섰다. 하지만 이 모형이 검증 가능한 범위에서 계층성 문제라는 난제를 설명했다는 점을 생각한다면 물리학계에서 중요한 역할을 하고 있다는 것은 틀림없다.

한편, 복잡한 수식을 통해서만이 이해할 수 있는 현대 물리학의 성과와 일상생활을 살아가는 우리들의 세계는 마치 중력 막과 약력 막의 입자들이 각자의 막에만 붙어 있어 서로를 잘 인식하지 못하는 것처럼 현대 물리학자들과 일반 독자들도 서로 상호 작용하지 못하고 있다. 평소 접할 기회도 없을뿐더러 내용을 제대로 이해하기 위해서는 최소한 석사 학위가 필요한 것이 현실이기 때문이다.

하지만 랜들은 이 책에서 연못가에 몰려드는 오리나 식빵을 자르는 일화같이 우리가 일상생활에서 마주치는 일들의 비유를 통해 물리학계와 일상생활에 존재하는 또 다른 계층성 문제를 해결하고 있다. 그리고 그 검증은 거대한 입자 가속기가 아니라 독자 여러분의 손에 달려 있다. 뚱보 체셔 고양이가 건네준 케이크를 먹고 5차원 세계를 경험한 아테나처럼, 랜들이 건네준 이 책을 통해 현대 물리학의 세계를 즐겁게 여행하시기를 바란다.

마지막으로, 어려운 환경 속에서도 묵묵히 우주의 진리를 밝히기 위해 매진하는 물리학자 선후배 여러분의 건승을 기원한다.

2008년 봄  김연중 

다소 복잡한 내용이지만 <인터스텔라> 영화를 보고 와서 읽는다면 보다 이해가 쉬울 것입니다. 리사 랜들 이야기가 나온 김에 다음 달 중에 사이언스북스에서 리사 랜들의 신간, 『천국의 문을 두들기며』가 나온다는 이야기를 살짝 흘리고요. ^^

아주 자세히 다루지 못한 게 조금 아쉽지만, 그래도 영화를 보신 분들이 조금이라도 영화에서 나온 과학이론에 대한 실마리를 얻어가셨길 바랍니다!

참고 도서 ▶ 리사 랜들, 『숨겨진 우주』 (클릭)