영화가 가르쳐주지 않는 물리학이 쉽고 재미있는 우주론 강의로 재탄생하다

미국에서는 영화 〈인터스텔라〉의 개봉과 동시에 킵 손 교수의 『The Science of Interstellar』라는 책이 출간이 되었다. 킵 손 교수는 개봉 전부터 이 책 출간할 준비를 하고 있었고, 자문을 맡은 킵 손으로서는 당연한 것이었다고 할 것이다. 하지만 이는 전문가용으로 대중들의 이해에 도달하기는 어렵기 때문에, 일반 대중들의 과학이론에 대한 지적 호기심과 궁금증을 해소할 방법이 상대적으로 적다.
저자 이종필 교수는 〈인터스텔라〉 국내 개봉 후 해설과 관련하여 언론 및 방송사의 인터뷰 요청으로 분주했다. 영화에서는 상대성이론을 비롯한 다양한 물리학이론이 표현되는데, 그것을 전문적으로 설명해줄 마땅한 전문가가 많지 않기 때문이었다. SBS, JTBC, 머니투데이, 시사in 등에서 인터뷰를 진행하며 우선적으로 대중들의 ‘알고 싶은 욕구’를 해소해주기 위해 노력한 저자는, 촉박한 기간 중에도 하루빨리 책을 내기 위해서 원고 마감에 최선을 다했다. 저자는 영화 개봉 후 11월 9일부터 『이종필 교수의 인터스텔라』의 집필을 시작해 약 보름 만인 11월 25일에 원고 집필을 완료했다. 평상시 물리학과 우주론에 관한 관심과 열의가 있지 않았다면 불가능했던 일이다. 물리학자이지만 마치 ‘작두를 탄 것처럼’ 신들려서 글을 써 내려가야 했던 상황을 저자는 에필로그에서 밝히고 있을 정도이다.

“한 번 작두만 올라타시면 그깟 원고쯤이야…”
일을 시작하기 전부터 한 사장님은 연신 작두 타령이었다. 물리학자를 붙잡고 과학책을 내면서 작두라니, 이런 개작두 같은 소리가 어디 있을까 속으로 생각하면서도, 글이 나오지 않아 원고와 씨름하던 매 순간마다 나는 어디선가 정말 신기라도 내려앉아 나의 손가락이 저절로 문장을 써 내려갔으면 얼마나 좋을까 생각하곤 했다.

책은 단순히 영화에 대한 평을 하고 있는 것이 아니다. 영화 속에서 설명해주지 않은 물리학과 우주론에 대한 이론과 개념 부분까지 자세히 다루고 있다. 동시에 영화에 나온, 그리고 나오지 않은 물리학과 우주론에 대해서도 쉽고 재미있는 이야기로 풀어낸다. 뉴턴, 갈릴레오, 케플러, 허블, 맥스웰, 호킹, 아인슈타인 등 우주론과 물리학에 관한 수많은 이론을 소개하는 것은 물론, 그것을 최대한 쉽게 이해할 수 있도록 노력한 흔적이 엿보인다. 또한 본문에 들어간 일러스트들을 통해 독자들의 이해를 한층 돕고 있다.

과학과 자연의 원리와 우주의 질서를 알고 싶어 하는 원초적인 욕망을 표출하다

〈인터스텔라〉가 한국에서 돌풍을 일으키고 있는 데는 여러 가지 이유가 있을 것이다. 저자는, “과학과 자연의 원리와 우주의 질서를 알고 싶어 하는 원초적인 욕망을 한국사회에서 제대로 해결하지 못한 억눌림이 〈인터스텔라〉를 계기로 폭발한 덕분이 아닐까” 생각한다. 한국의 기초과학 현실이 열악하고 과학문화 자체가 일천한 것은 더 이상 말할 필요도 없다. 그러나 저자는 몇 년 동안 대중강연을 다니면서 우리 이웃들이 과학을 알고 싶어 하고 자연의 근본원리를 들춰보고자 하는 욕망과 잠재력이 상당하다는 것을 피부로 느낄 수 있었다고 말한다. 불행하게도 아직 한국 사회는 그런 욕망을 충족시킬 장치가 별로 없다.
그래서 저자는 〈인터스텔라〉의 폭발적인 흥행이 한편으로 반가우면서도, 다른 한편으로는 우리의 씁쓸한 현실이 떠올라서 안타까웠다고 이야기한다. 영화 속의 NASA는 미국에서조차 천덕꾸러기로 전락한 설정으로 나온다. 한국의 기초과학은 원래 천덕꾸러기였다. 당장에 돈벌이가 되지 않는 분야는 정부의 지원이나 사회의 관심에서 멀어진 지 오래이다. 대학에서 구조조정 이야기가 나올라치면 가장 먼저 도마에 오르는 학과가 물리학과 같은 기초과학 분야 학과들이다. 취업률이 낮다, 연구비도 못 따온다, 논문도 못 쓴다, 기타 등등의 이유로 생존조차 위협받는 경우가 많다고 한다.
미국은 NASA를 만들면서도 더 중요하게는 공교육에서 수학과 물리학 등 기초과학 교육구조를 전면적으로 개편했다. 이전까지 실용성을 강조했던 과학교육이 원론적이고 본질주의적으로 바뀐 것이다. 기초학문의 중요성이 높아진 것은 물론이다. 저자는 미국이 위기에 대처하는 방식이 대단히 근본적이고 전면적이었다는 점을 들며, “과연 우리는 지금 얼마나 기초학문을 중시하고 있는지, 잘못된 교육제도와 내용을 전면적으로 뜯어고칠 의지가 과연 있는지부터 먼저 돌아봐야 하지 않을까?”라고 이야기한다.

『이종필 교수의 인터스텔라』 책 속에 나타난 과학이론들

천상의 비밀
과학의 역사는 ‘밤하늘은 왜 어두울까’를 비롯한 다양한 천상의 비밀을 밝혀온 역사라고 할 수 있다. 아리스토텔레스의 우주관, 망원경을 통해 달의 본 모습을 밝힌 갈릴레오 갈릴레이의 공헌, 행성궤도가 타원이라는 케플러의 행성법칙 등을 소개하며, 우주의 비밀을 밝혀온 인류의 노력을 보여준다.

그래비티
뉴턴의 만유인력의 법칙을 통해 알게 된 중력은 전자기력에 비해 엄청나게 작은 힘이다. 하지만 이 중력은 우주에서는 큰 힘을 발휘한다. 뉴턴의 운동량 보존법칙, 우주선이 행성의 중력을 이용해 날아가는 중력기동, 달이 인력으로 지구를 당기는 힘인 기조력과 지구 자전의 브레이크 현상 등을 통해 중력의 개념에 대해 이해할 수 있다.

특수상대성이론
전기장과 자기장은 광속으로 진행한다는 맥스웰의 방정식과 그 영향을 받은 아인슈타인의 특수상대성이론을 소개한다. ‘모든 관성좌표계에서 물리법칙은 똑같다/모든 관성좌표계에서 광속은 똑같다’라는 가정에서 시작하여, 아인슈타인은 광속불변이 우리 우주의 근본원리이며 좌표를 구성하는 시간과 공간이 바뀌어야만 한다는 혁명적인 관점의 변화를 이야기한다.

일반상대성이론
특수상대성이론이 등속운동에 관한 이론이라면, 일반상대성이론은 특수상대성이론을 일반화한, 가속운동에 관한 이론이다. 가속운동을 하면 없던 힘인 관성력이 생기며, 그 관성력은 중력과 구별할 수 없다(‘등가원리’). 가속운동은 중력이고, 가속운동은 시공간의 뒤틀림이기 때문에 중력이 곧 ‘시공간의 뒤틀림’이라는 핵심에 도달한다(‘중력이 강력한 곳에서는 시간이 느려진다’). 아인슈타인의 등장으로 뉴턴의 이론은 무너지고, ‘과학의 혁명’이 일어난다.

블랙홀과 웜홀
중력이 강력한 천체인 블랙홀은 일반상대성이론에 의해 시간지연 효과가 아주 커진다. 열역학 제2법칙과 블랙홀의 정보역설 등 블랙홀에 대한 많은 과학자들의 이론이 펼쳐진다. 끊임없는 논쟁 끝에 블랙홀에서 정보가 손실된다는 호킹 박사의 주장은 2004년에 철회되고, 블랙홀에서 정보는 사라지지 않는다는 결론을 얻는다. 하지만 여전히 블랙홀에 관한 논쟁은 진행 중이다. 멀리 떨어진 2개의 시공간을 연결하는 통로인 웜홀과, 웜홀로 시간여행이 정말로 가능한지에 대해서도 함께 생각해본다.

집 우, 집 주, 넓을 홍, 거칠 황
천문학과 우주론의 역사는 거리 측정의 역사이다. 맥박이 고동치듯 별빛이 주기적으로 변하는 ‘세페이드 변광성’을 통해 별까지의 거리를 알 수 있게 되었고, ‘모든 은하는 멀어진다/멀어지는 속도는 거리에 비례한다’라는 허블의 법칙이 등장한다. 우주가 한 번의 큰 폭발로 생겨났다는 ‘빅뱅’이론은 현재 표준우주론으로 자리를 잡게 되었고, 우리 우주의 나이가 약 138억 년이라는 사실이 밝혀졌다.

덧차원
우리가 느끼는 4차원의 시공간을 넘어 우리 우주에는 6개의 덧차원이 더 존재한다는 이론이 등장하고 현재까지 그 존재 여부를 확인하기 위한 실험이 진행 중이다. 덧차원까지 포함된 전체 시공간에서는 원래 중력이 약하지 않았지만 중력이 덧차원으로 빠져나갔기 때문에 4차원 시공간에서는 중력이 약해졌다는 이론과, 만약 덧차원을 포함한 시공간에서 중력이 약하지 않다면 블랙홀을 만들어낼 수도 있다는 가능성을 살펴본다.