문과생이 본 인터스텔라 이야기. 웜홀, 테서렉트, 상대성이론은 뭐지?

인터스텔라Interstellar는 2014년에 개봉한 미국 영화로, 영국의 서사 SF 영화이다 .크리스토퍼 놀런이 감독, 제작하고 공동 각본을 썼다.매슈 매코너헤이,앤 해서웨이, 제시카 채스테인 등이 출연했다. 살아남기 위해 고심하고 있는 인류의 미래를 배경으로 한 이 영화는 토성 근처의 웜홀을 통해서 새로운 생존 가능한 행성을 찾는 우주 탐사팀의 이야기를 그린다. 크리스토퍼와 조너선 놀런 형제는 2007년에 조너선이 초안을 만든 시나리오에 원안을 둔 시나리오를 썼다. 이 영화에 영감을 준, 이론 물리학자킵 손이 과학자문위원과 공동 제작자로서 참여하였고,인터스텔라의 과학(The Science of Interstellar)이라는 책을 썼다(위키맥과 참조).

미지의 행성을 탐사하는 대원들, 인터스텔라의 한 장면

이 영화는 아주 길다. 물리학적 지식이 없는 상태에서 본다면 조금은 지루할 수도. 문과생으로서 정말 간략하게 이 길고 긴 영화를 요약하면 지구는 환경과 식량 문제에 봉착해서 이를 해결하기 위해 모든 자본을 여기에 쏟아붓는다. 엄청난 돈이 들어가는 우주 연구는 중단된 상태인데 몰래 이 연구를 진행하고 있었다. 은퇴한 우주 조종사가 이 계획을 알고 딸과 인류를 구하기 위해 프로젝트에 참가한다. 그 프로젝트는 세 개의 행성 중에 적당한 하나를 찾아 인류의 수정란을 가져가는 것이었는데 우주와 지구의 시간이 달라 단 몇 시간만 행성에 머물러도 지구의 시간은 엄청 흘러간다. 우여곡절을 겪는 과정에서 딸과 메시지를 나누게 되는데 딸은 이미 할머니가 되어 있었다. 안타까워하며 연구를 진행하여 인류가 정착할 수 있는 행성에 도착한다는 이야기이다. 참 심플하다. 

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그럼 세부적으로 좀 더 이야기를 늘려보면(물리학적 지식이 없는 문과 전공자의 요약입니다.)

인터스텔라는 2066년을 배경으로 한다. 지난 세기 인간들의 잘못으로 인해 세계는 식량 난에 부딪히게 된다. 곡식들은 메말라가고 병충해가 생겨 모두를 불태워야 하는 상황이고, 먼지바람이 뒤덮여 자욱하기만 하다. 인류는 당장 먹고사는 문제가 시급하다 보니 모두 농사에 매달리게 된다. 시대가 이렇다 보니 우주 조종사였던 쿠퍼도 옥수수 농사를 지으며 가족을 지키며 살아가게 된다.

 

그러던 어느 날 먼지바람이 불어와 딸 머피의 방에 먼지가 수북이 쌓이는데 이를 이진법으로 계산하니 어떤 좌표가 나오게 되고 무언가의 시그널이라고 느낀 두 사람은 자표를 따라가게 된다. 그곳에서 숨견진 나사NASA 연구소를 찾게 된다. 현시대는 식량과 관련된 일에 자본을 쏟고 있어서 나사의 우주 연구에 들어가는 비용이 많이 들기 때문에 이를 폐쇄하였는데 몰래 연구가 진행되고 있었다.

 

여기서 만난 브랜드 박사는 4848년 전 토성 근처에서 웜홀이 열렸고 이곳에 탐사선을 보내 다른 은하계로 이동하여 인류가 살 수 있는 행성을 찾는 계획을 알려주게 된다. 첫 번째는 중력을 제어할 수 있는 중력방정식을 통해 행성으로 가는 것이고, 다음으로 500500여 개의 수정란을 쏘아 새로운 행성에서 인류를 계속이어 나가겠다는 것이다. 이 계획을 실현하기 위한 웜홀을 통과해 사람이 살 수 있는 행성 3개를 탐사하기 위한 조종사로 쿠퍼가 발탁된다.

 

인듀어런스 탐사원들은 웜홀을 통과하여 밀러 행성에 도달하게 되는데 문제가 생겨 지구와 밀러 행성 사이의 시간차가 7년이 되게 된다. 또 최대한 빠르게 밀러 행성을 탐사하기 위해 쿠퍼 역시 아멜리아, 도일과 함께 레인저호를 타고 밀러 행성에 도착한다. 세 사람은 행성에 착륙했으나 온통 바다처럼 물로 덮여 있었다. 먼저 탐사를 연구팀의 우주선 잔해 속에서 블랙박스를 찾기 위해 고군분투하는데 산처럼 거대한 해일이 밀려오고 도일은 죽게 됩니다. 결국 블랙박스를 회수하지 못하고 쿠퍼와 아멜리아는 인듀어런스호로 돌아오게 되는데 밀러 행성에 33시간 정도만 있었지만 지구의 시간은 이미 23년 4개월 8일이 지나가버렸다.

 

밀러 행성에서 23년이란 시간을 허비한 그들은 마음이 초조해진다. 이후 쿠퍼 일행은 연료 부족으로 남은 두 개의 행성 중 하나의 행성만을 탐사할 수 있게 된다. 이때 지구에선 애초에 브랜드 박사의 행성 탐사 계획이 불가능했다는 것을 알게 되고 이를 안 쿠퍼의 딸 머피는 분노하게 된다.

 

두 번째 행성인 만 행성에 도착한 일행은 만 행성에서 동면 상태로 있던 만 박사를 깨우게 된다.. 만 박사는 이 행성이 인류가 생존 가능한 곳이라고 연구 결과를 이야기하는데 그때 머피의 분노 섞인 메시지가 도착하고 그것이 거짓이라는 것을 알게 된다. 만 박사는 브랜드 박사의 연구가 애초부터 불가능하다를 것을 알고 있었으나 자신을 구조하러 오길 바라며 시그널을 지구에 보냈던 것이었다. 그리고 쿠퍼 일행을 죽이고 인듀어런스호를 빼앗아 새로운 행성에서 500500여 개의 수정란을 뿌리는 계획을 다시 세우려고 하지만 결국 로봇이 폭파하여 죽게 된다.

 

이 과정에서 인듀어런스호의 일부가 폭파하게 되는데 쿠퍼는 레인지 모듈을 빠르게 돌아가는 인듀어런스와 속도를 맞춰 반파 상태에서 도킹에 성공하게 된다. 하지만 블랙홀의 중력에 의해 끌려가게 되고 이를 막기 위해 쿠퍼는 아멜리아를 인듀어런스 호에 남기고 자신은 우주선에서 떨어져 나가 블랙홀 ‘가르강튀아’로 떨어지게 된다.

 

쿠퍼는 블랙홀을 빨려 들어가면서 가까스로 타스와 통신이 되었으며 이상한 공간에 도착하게 되는데 그곳이 다름 아닌 ‘테서렉트’였다. 쿠퍼는 그곳에서 딸의 방을 마주하게 된다 이곳은 5차원으로 구현되어 있었으며 타스에 의하면 어떤 미지의 존재들이 웜홀과 태서렉트를 구현해 놓았다는 것이다. 그 안에서 딸의 방에 도달하게 되고 책을 떨어뜨리며 ‘STAY’ 메시지를 남긴다. 모레 먼지를 이진법으로 구현하여 나사의 좌표를 남긴 것도 모두 쿠퍼 자신의 행동이었던 것이다. 이후 테서렉트가 무너지면서 쿠퍼는 다시 웜홀을 통해 태양계로 돌아가며 정신을 잃는다.

 

정신을 차린 쿠퍼는 ‘쿠퍼스테이션’에 있었으며 지구 나이로 쿠퍼는 124살이 되어 있었다. 아버지를 보기 위해 지구에서 동면한 상태로 쿠퍼스테이션에 도착한 머피는 아버지와 조우하고 자신이 죽는 모습을 보는 건 기쁜 일이 아니라며 다시 아버지를 떠나보낸다. 머피가 과거의 집과 똑같이 꾸며놓은 쿠퍼스테이션의 집에서 타스를 발견한 쿠퍼는 타스를 고친 후 120세의 나이로 에드먼즈 행성으로 향한다.

 

한편 에드먼즈 행성에 도착한 아멜리아는 헬맷을 벋고 있다. 이미 사망한 에드먼즈를 위해 돌무덤을 만든 그녀는 여러 베이스캠프로 만들었다. 그녀가 디딜 수 있는 땅이 있고, 노을이 지는 하늘이 있고 그녀가 헬멧얼 벗고 자기호흠을 하는 것으로 보아 에드먼저 행성은 지구를 대체할 행성으로 적합한 곳이다.

 

 

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이 영화를 보다 잘 이해하기 위해 더 복잡한 과학 이론을 몇 개 소개해 보면,

웜홀 Wormhole

웜홀은 우주에서 먼 거리를 가로질러 지름길로 여행할 수 있다고 하는 가설적 통로이다. 아인슈타인·로젠 다리(Einstein-Rosen bridge), 슈바르츠실드 웜홀(Schwarzschild wormhole)이라고도 한다. 일반상대론에서 이론적으로는 허용되나 안정성 등의 문제가 있어 우주에 실제 존재하거나 인위적으로 만들어낼 수 있는지 등은 확실하지 않다. 웜홀에 관심을 갖는 다른 이유는 시간 여행과 관련이 있기 때문이다. 웜홀을 통해 이동하면 과거로 여행하는 것이 가능할 수 있다. 그 이유는 웜홀의 두 구멍이 통상적인 경로와 웜홀을 통과하는 경로 두 가지로 연결되어 있고, 그 경로에 따라 시간의 흐름이 달라지기 때문이다.

- 웜홀, 네이버 지식 백과 (물리학백과)

웜홀의 모습

테서렉트 Tesseract

테서랙트 또는 테저랙은 4차원 초입방체(hypercube)[3]로, 정팔포체(8-cell, regular octachoron)라고도 한다. 3차원의 입방체란 3축간에 모두 직각으로 교차하는 형상을 기본으로 하는데, 제4의 직교하는 축을 더한 4차원에서 4축 모두가 직각으로 교차한다는 의미. 물론 인간의 감각기관은 4차원 이상을 인지할 수 없기 때문에 테서랙트를 완벽히 인지할 수는 없고 3차원 공간에 투영된 형태로 (3차원 큐브를 2차원인 종이의 면 위에 투영하듯이) 인지할 수밖에 없다. 축에 직교하는 방향으로 투영하면 그냥 입방체로만 보인다. 하지만 축에 직교하지 않는 각도로 3차원 공간에 투영할 경우 온갖 이상한 모양으로 인지될 수 있다. 3차원 정육면체도 x, y, z축 방향으로 보면 2차원 정사각형으로 보이지만 조금만 각도를 틀어도 다르게 보이는 것과 마찬가지. 철사로 정육면체 틀을 만들어 비눗물에 여러 번 담갔다가 빼면 틀 내에 정육면체 비눗방울이 생길 수도 있다. 이 형태가 정팔포체를 3차원 축 방향으로 투영한 형태이다.

- 테서렉트, 나무위기 참고

 

테서렉트 모형

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