EBS 빛의 물리학과 영화 인터스텔라를 본 후
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hwp‘인터스텔라‘를 본 것은 지난해 11월이었다. 당시 많은 언론과 평론가, 블로거들에게 극찬을 받았으며 많은 이들이 ‘크리스토퍼 놀란’ 감독을 지지했던 것이 기억이 난다. 개인적인 생각이지만 영화로써의 개연성은 석연치 않은 게 많았다. 그럼에도 영상미와 스케일은 단연 돋보였고 그 동안 궁금했던 우주의 모습의 일부를 구체적으로 볼 수 있었다는 사실 때문에 당시에 감명 깊게 보았다. 특히 평소 책에서 본 아인슈타인의 일반상대성이론에 대해 배경지식도 있었기 때문에 더 재미있게 봤다. 그런데 이번에 보게 된 ‘빛의 물리학’은 그것보다 더 재미있었다. ‘인터스텔라’에는 없는 진짜 빛의 이야기가 이 프로그램에 있었기 때문이다.
- 빛에서 시작된 물리학
‘빛의 물리학’은 총 6부작으로 편성되어 있다. 1부는 빛과 시간에 관한이야기이고 그것을 생각한 사람, 아인슈타인과 갈릴레이의 이야기이다. 갈릴레이는 ‘아무런 힘도 받지 않고 같은 속도로 움직일 때 나를 규정하는 것은 상대방의 움직임이다’라는 말을 했다. 그렇다면 내가 빛과 같은 속도로 움직이면 빛은 멈춰있는 것처럼 보일까? 이런 남들이 안하는 생각을 이미 아인슈타인은 17세에 생각했다. 맥스웰의 이론에 의하면 빛은 파동이고, 그 속도는 항상 일정한 값을 갖는다. 갈릴레이와 맥스웰이 맞다면, 틀린 것은 시간밖에 없다고 아인슈타인은 생각했고, 특수상대성 이론을 발표했다.
2부는 빛과 중력에 관한이야기이다. 무엇이 우리를 아래로 떨어지게 하는가? 만유인력의 법칙을 발표한 뉴턴은 사과는 떨어지는데 왜 달은 떨어지지 않는지 생각했다. 갈릴레이의 유명한 실험중 하나인 사고실험에 의하면 물체는 마찰력이 없을 때 처음 높이에 도달할 때까지 운동 상태를 계속 유지하려는 관성을 가진다. 뉴턴은 갈릴레이의 사고실험을 통해 달도 병진 운동을 할 것이라 생각했고, 지구에서 잡아당기는 어떤 힘 때문에 지구 주위를 계속 돈다고 생각했다. 그는 모든 물체는 서로를 당기는 인력이 있다고 생각했고 그 질량이 클수록 거리가 가까울수록 크다고 생각했다. 그리고 이를 수식으로 나타내었다. 그것이 중력을 규정한 시발점이다. 뉴턴은 중력은 모든 물체가 즉시 느낄 수 있는 힘이라고 했다. 즉 지구의 기조력에 영향을 주는 달의 중력이 사라진다면, 그 즉시 기조력이 사라진다는 말이다. 달에 반사된 태양의 빛이 지구에 도달하는 시간은 약 1.5초. 그렇다면 이제까지 가장 빠르다고 알고 있던 빛보다 중력이 빠르다?
아인슈타인은 중력의 문제를 우주공간의 우주선을 예로 들어서 생각했다. 우주공간은 무중력의 공간, 그곳에선 중력을 느낄 수 없다. 하지만 가속을 하면 그 반대의 방향으로 중력을 느낄 수 있다. 그렇다면 가속은 중력일까?
가속운동의 정의는 속도와 방향이 바뀌는 운동이다. 원운동의 경우도 무한대의 선분이 이어진 모양이라고 생각하면, 역시 가속운동이다. 특수상대성 이론에 따르면 빛의 속도에 가깝게 움직일수록 길이는 짧아진다. 그렇다면 원이 작아진다?
아인슈타인은 이 문제의 힌트를 지구본과 세계지도의 최단거리의 문제에서 얻었다. 어떤 두 지역 A,B를 이은 최단거리는 세계지도와 지구본이 서로 다르다는 것이다. 즉, 공간이 휜다는 것에서 힌트를 얻은 것이다. 그리고 아인슈타인은 자신의 특수상대성이론에 중력을 더한 일반상대성이론을 발표한다. 중력은 물체가 공간을 휘어지게 하는 힘이며, 그 질량이 클수록 커지는 힘이다. 이것이 일반상대성이론이다.
3부는 빛을 추적하는 이야기이다. 빛을 추적한 사람은 많지만 그중 처음으로 빛에 가까이 간 사람은 갈릴레이였다. 그는 빛을 추적하는 인류 역사상 위대한 발명품들 중 하나로 꼽히는 망원경을 발명했다. 많은 사람들이 그의 발명품을 사용했고, 그것은 항해술등에 기여했다. 하지만 그가 정말 보고 싶었던 것은 따로 있었다. 바로 하늘이었다. 목성의 네 위성 칼리스토, 에우로페, 이오, 가니메데는 그가 찾아낸 위성이다.
갈릴레이는 빛을 알고 싶어 했다. 그는 빛의 속도를 측정하기 위해 여러 가지 실험을 했다. 하지만 그의 생각보다 빛은 빨랐고, 실험은 실패했다.
