https://youtu.be/ePbKGoIGAXY『인터스텔라』 예고편

위의 도서 『인터스텔라의 과학』 은 지난 2014년 개봉하여 

국내에서 10, 309, 432 명의 관객이 관람할 정도로 크게 흥행한 

영화 『인터스텔라 Interstellar』 에 책임 프로듀서로 참여한 

킵손 Kip Thorne 이 쓴 도서로써 

영화 제작과정과 과학적 근거를 설명한 도서이다.

저자의 표현을 빌리자면,

영화에 나오는 여러 배경과 사건들이 단순히 환상(fiction)이 아닌

가능성의 범위내에 존재하는 과학적 허구 (fantasy) 임을 설명해준다.

https://youtu.be/h5EJZNIqN0k '시간이라는 환상' - 1 분 과학

영화를 보면서 가졌던 여러 호기심의 갈증을

위의 도서를 통해 해갈할 수 있어 좋았다.

특히 영화 말미에 주인공이 '가르강튀아'(블랙홀)에

자진해서 떨어진 이유를 알 수 있어 만족스러웠다.

https://youtu.be/HbsPgGpfKpU 『인터스텔라』 블랙홀로 떨어지는 쿠퍼

그리고 블랙홀, 테서렉트(Tesseract), 초공간(hyperspace) 등 

이전에 인지하지 못했던 여러 우주적 존재 뿐만 아니라

이것을 알기 위해 분투한 인류의 과학사도 함께 알 수 있어 유익했다.

여기에 개인적인 감상을 덧붙이자면,

위의 도서를 읽는 와중에 저자의 노벨상 수상 소식과

저자가 설립한 LIGO 팀과 VIRGO 그리고 국내연구진이 

'중력파'를 검출했다는 소식을 들으며

https://youtu.be/dSSIPoUrZBo - JTBC 노벨상 - 세포부터 우주탄생까지

막연한 사변이 지식에 기초한 추측이 되고

이어서 진실이 되는 모습을

당신은 생전에 목격할 수 있을까?

p 034

- 진실, 지식에 기초한 추측, 막연한 사변

라던 저자의 글이 떠올랐다.

2017년 지금

정치적으로 중요한 시기를 지나오는 여정속에

과학적으로도 중요한 순간을 지나고 있음을 이해할 수 있다.

끝으로 위의 도서를 통해서 

우주의 광대함에 압도되기도 했지만,

한편으로는 너무나 미약한 존재인 '나' 라는 존재

나름의 철학적인 사유를 할 수 있어 좋았다.

너무나 미약하고 짧지만 그래서 소중함을 느낀다.

https://youtu.be/DF1CB4x_XGQ '우주에서 바라본 지구' - 1분 과학

p.s. 1. 추천 도서

		어메이징 그래비티  조진호 글,그림 인터스텔라의 과학  킵 손 저/전대호 역 언플래트닝, 생각의 형태  닉 수재니스 저/배충효 역/송요한 감수
예스24 | 애드온2

p.s. 2. 추천 영상

https://youtu.be/oILbvIRsfpM - 『인터스텔라』 블랙홀, 웜홀

https://youtu.be/Ln2SGm9gEuE - 『인터스텔라』 웜홀

https://youtu.be/KIpisYO7ko4 『빛의 물리학』 - EBS

https://youtu.be/KHPSa9z-og8 '100년 만에 밝혀진 아인슈타인의 중력파' - YTN

https://youtu.be/Sv9WzXekSiw - The Science of Interstellar

==============================

「인터스텔라」에 등장하는 과학의 많은 부분은 

오늘날 인류가 보유한 지식의 최첨단이나 바로 그 너머에 위치한다. 

그래서 영화는 더욱 신비롭고, 

나는 확고한 과학과 지식에 기초한 

추측과 막연한 사변의 차이를 설명할 기회를 얻었다. 

「인터스텔라」는 나로 하여금 

어떻게 과학자들이 사변으로서 출발한 아이디어들을 

주목하고 틀렸음을 증명하거나, 

아니면 지식에 기초한 

추측 혹은 확고한 과학으로 변환하는지 설명하게 한다.

나는 두 가지 길을 채택할 것이다. 

첫째, 영화에 등장하는 현상들

(블랙홀, 웜홀, 특이점, 제5 차원 등) 

에 관한 오늘날의 지식을 설명하고, 

그 지식이 어떻게 획득되었는지, 

미지의 영역은 어떤 식으로 개척될 가망이 있는지 설명한다. 

둘째, 미술평가나 일반 관람객이 

피카소의 그림을 해석할 때와 비슷하게 

「인터스텔라」 를 과학자의 관점에서 해석한다.

…

당연한 말이지만, 이 해석들은 내 나름의 것일 뿐이다. 

피카소가 어떤 미술평론가의 해석도 승인하지 않은 것과 마찬가지로 

크리스토 놀런은 나의 해석을 승인하지 않는다. 

나의 해석은 경이로운 과학을 서술하기 위해서 내가 선택한 탈것이다.

책의 일부 대목은 울퉁불퉁한 황무지 같아서 달리기 힘들 수도 있다. 

그것이 진짜 과학의 실상이다. 

과학은 생각을 요구한다. 

때로는 깊은 생각을. 

하지만 생각해보면, 보람이 있을 수 있다. 

몹시 울퉁불퉁한 구간은 건너뛰어도 좋고, 

이해하려고 애써도 좋다. 

당신이 애썼는데 보람이 없다면, 

그것은 당신의 잘못이 아니라 나의 잘못이다. 미안하다.

적어도 한번쯤은 당신이 한밤중에 반쯤 잠든 정신으로 

내 글의 한 대목을 붙들고 고민하기를 바란다. 

나도 크리스토퍼 놀런이 시나리오를 다듬는 과정에서 던진 

질문들을 붙들고 밤중에 그렇게 고민했다. 

또한 내가 놀런의 질문들과 씨름하다가 여러 번 경험한 

유레카의 순간을 당신도 한밤중에 고민하다가 

적어도 한번쯤은 경험하기를 간절히 바란다.

     서문

==============================

우리 우주는 137억 년 전에 거대한 폭발로 태어났다. 

나의 친구 프레드 호일은 그 폭발에 

"빅뱅(the big bang)”이라는 비아냥거리는 명칭을 붙였다. 

우주론자인 그는 당시(1940년대)에 그런 폭발은 

엉뚱하고 허구적인 개념이라고 여겼다. 

그러나 프레드가 틀렸음이 밝혀졌다. 

우리는 그 폭발에서 유래한 복사(輻射, radiation)를 관찰했다. 

심지어 (이 글을 쓰는 시점을 기준으로) 지난 주에도 

그 폭발이 시작된 후 10조 곱하기 10조 곱하기 10조 분의 1초 안에 

방출된 복사의 잠정적 증거가 관찰되었다. 

우리는 무엇이 빅뱅을 일으켰는지, 

빅뱅 이전에 무엇이 있었는지, 

무엇인가 있기는 했는지 모른다. 

그러나 아무튼 우주는 

엄청나게 뜨거운 기체로 이루어진 거대 한 바다로 태어나서, 

마치 핵폭탄이나 가스관이 폭발할 때 생기는 불덩이처럼 

모든 방향으로 빠르게 팽창했다. 

다만 빅뱅은 (적어도 우리가 아는 한) 파괴적이지 않았다. 

오히려 우리 우주의 만물을 창조했다. 

아니, 

만물의 씨앗들을 창조했다고 해야 더 정확할 것이다.

     p 017

        빅뱅

          2 - 우리 우주, 간략하게

             Ⅰ. 기초

==============================

우리 우주가 팽창함에 따라서 우주를 이루던 뜨거운 기체가 식었다. 

그 기체의 밀도는 곳에 따라서 무작위하게 조금씩 달랐다. 

기체가 충분히 식자, 

밀도가 높은 구역 각각이 중력에 의해서 쪼그라들어 

은하(galaxy 

; 별들과 행성들과 별들 사이에 흩어진 기체로 이루어진 거대한 집단) 

를 낳았다. 

가장 오래된 은하는 우주의 나이가 몇억 년이었을 때 태어났다.

가시적인 우주에 있는 은하는 대략 1조 개이다.

가장 큰 은하들은 

몇조 개의 별을 포함하며 

지름이 약 100만 광년에 달한다. 

가장 작은 은하들은 

약 1,000만 개의 별을 포함하며 

지름은 1,000광년이다. 

큰 은하의 중심에는 태양보다 100만 배 이상 

무거운 거대한 블랙홀이 거의 예외 없이 있다.

지구를 포함한 은하를 우리 은하

(The Galaxy, Milky Way galaxy)라고 한다.

우리 은하의 별 대다수는 지구에서 본 밤하늘에 길게 뻗은 밝은 띠,

곧 은하수에 위치한다. 

은하수 속의 별들뿐만 아니라 밤하늘에 보이는 별은 거의 모두 우리 은하에 속한다.

우리 은하에서 가장 가까운 대형 은하의 이름은 안드로메다이다.

지구에서 250만 광년(10¹⁸킬로미터, 즉 100경 킬로미터/옮긴이) 떨어져 있으며, 

약 1조 개의 별을 포함하며 지름은 약 10만 광년이다.

우리 은하와 안드로메다 은하는 크기, 모양, 보유한 별의 개수가 쌍둥이처럼 닮았다.

(그림 2.2) 가 우리 은하라면, 지구는 노란 다이아몬드가 표시된 자리에 있다.

안드로메다 은하는 거대한 블랙홀 하나를 품고 있다.

그 블랙홀은 태양보다 1억 배 무겁고 지름은 지구 궤도의 지름과 맞먹는다.

(「인터스텔라」에 나오는 가르강튀아의 무게와 덩치가 이 수준이다.)

위치는 그림 2.2의 중앙에 밝은 공의 중심이다.

     p 018 ~ 020

        은하

          2 - 우리 우주, 간략하게

             Ⅰ. 기초

==============================

태양과 지구의 나이는 약 45억 년이다. 

우주의 나이와 비교하면 약 3분의 1에 해당한다.

앞으로 65억 년 정도가 지나면 

태양은 중심부의 핵연료를 다 써버리게 될 것이다.

그러면 태양은 중심부를 둘러싼 껍질에 있는 연료를 태우기 시작할 것이고,

태양의 표면은 팽창하여 지구를 삼키며 태워버릴 것이다.

그 껍질의 연료마저 소진되면, 

태양은 쪼그라들어 덩치는 지구와 비슷하지만,

밀도는 100만 배 높은 백색왜성(白色矮星, white dwarf) 이 될 것이다.

백색왜성은 수백억 년에 걸쳐 차츰 온기를 잃어 조밀하고 어두운 재가 된다.

태양보다 훨씬 더 무거운 별은 연료를 훨씬 더 신속하게 소진한 후 

수축하여 중성자별(neutron star)이나 블랙홀이 된다.

중성자별은 질량이 태양의 1배에서 3배 정도이고,

둘레가 75에서 100킬로미터(시카코와 비슷하다) 이며,

밀도는 원자핵의 밀도와 같다.

바위나 지구와 비교하면 밀도가 100조 배 높은 셈이다.

실제로 중성자별은 거의 순전히 핵물질로 이루어졌다.

원자핵들이 빽빽하게 모여 있는 상태라고 보면 되겠다.

반면에 블랙홀은 오로지 휜 공간(warped space)과 

휜 시간(warped time) 만으로 이루어졌다.

블랙홀의 내부에는 어떤 물질도 들어 있지 않지만,

블랙홀은 "사건지평(event horizon)", 또는 줄여서 

"지평"으로 부르는 표면을 가진다.

그 무엇도, 심지어 빛도 이 표면을 통과하여 밖으로 나오지 못한다.

그래서 블랙홀은 검다.

블랙홀의 둘레는 질량에 비례한다.

더 무거운 블랙홀일수록 덩치가 더 크다.

일반적인 중성자별이나 백색왜성과 질량이 유사한 

(이를테면 질량이 태양의 1.2배인) 블랙홀의 둘레는 약 22킬로미터이다. 

백색왜성과 비교하면 1,000배, 

중성자별과 비교하면 4배 작은 셈이다.

일반적으로 별의 질량은 커봐야 태양의 100배 정도이므로, 

그런 별이 죽어서 남기는 블랙홀도 질량이 태양의 100배를 초과하지 않는다. 

은하의 중심에 있는 거대 블랙홀은 

질량이 태양의 100만 배에서 200억 배에 달한다. 

그러므로 그런 블랙홀은 별의 죽음을 통해서 태어난 것일 수 없다.

무엇인가 다른 방식으로 형성되었어야 하는데, 

어쩌면 많은 블랙홀들이 뭉쳐서 생겨났을 수도 있고,

거대한 기체 구름이 응축하여 생겨났을 수도 있다.

     p 021, 022

        별의 죽음 : 백색왜성, 중성자별, 블랙홀

          2 - 우리 우주, 간략하게

             Ⅰ. 기초

==============================

물리학자들은 17세기 이래로 

우리 우주를 지배하는 물리학 법칙들을 발견하기 위해서 애써왔다. 

마치 유럽의 탐험가들이 

지구의 지리를 발견하기 위해서 애써온 것과 유사하다(그림 3.1). 

1506년에 이르면 

유라시아가 관심의 초점 안에 들어오는 중이었고 

남아메리카 가 얼핏 눈에 들어왔다. 

1570년경에는 

남북아메리카가 조명을 받기 시작했지만 

오스트레일리아는 흔적도 없었다. 

1744년에 이르면, 

오스트레일리아는 초점 안에 들어왔지만, 

남극대륙은 미지의 땅이었다. 

이와 유사하게(그림 3.2) 1690년에는 

뉴턴의 물리학 법칙들이 중심에 있었다. 

힘, 질량, 가속도 같은 개념들과 이것들을 연결하는 

F=ma

(물체가 힘을 받으면 가속 하는데, 

이때 물체의 질량[m]에 가속도[a]를 곱하면 힘과 같다는 뜻이다/옮긴이) 

같은 방정식들을 이용하여 뉴턴의 법칙들은 

달이 지구 주위를 도는 운동, 

지구가 태양 주위를 도는 운동, 

비행기의 비행, 교량 제작, 

장난감 구슬들의 충돌을 정확하게 기술한다. 

…

1915년에 이르면 뉴턴 법칙들이 

아주 빠른 것들(거의 광속으로 운동하는 물체 들)의 영역, 

아주 큰 것들의 영역(우리 우주 전체), 

강한 중력의 영역(예컨대 블랙홀)

에서는 통하지 않는다는 강력한 증거가 

아인슈타인 등에 의해서 발견된 상태였다. 

이 문제들을 개선하기 위해서 

아인슈타인은 혁명적인 상대론 물리학 물리학 법칙들을 제시했다(그림 3.2). 

휜 공간과 휜 시간의 개념(다음 장에서 설명)을 이용하여, 

상대론 법칙들은 

우주의 팽창, 블랙홀 , 중성자별, 웜홀을 예측하고 설명했다. 

1924년에 이르면 뉴턴의 법칙들이 

아주 작은 것들(분자, 원자, 기본입자)의 영역에서도 

통하지 않음이 명백해졌다. 

이 문제에 대응하여 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등은 

양자 물리학 법칙들을 내놓았다(그림 3.2). 

모든 것이 적어도 아주 작은 규모에서는 

무작위하게 요동한다는 개념(제26장), 

또 이 요동이 무에서 입자와 복사를 창출할 수 있다는 개념을 이용하여, 

양자물리학 법칙들은 우리에게 

레이저, 핵 에너지, 발광 다이오드(LED), 

그리고 화학에 대한 깊은 이해를 선사했다. 

1957년에 이르자, 

상대론 법칙들과 양자 법칙들이 

근본적으로 양립 불가능함이 명백해졌다. 

두 법칙들은 중력이 강하고 

또한 양자요동(quantum fluctuation)이 강한 영역에서 

서로 다르며 양립 불가능한 결과들을 예측한다. 

그런 영역의 예로 우리 우주를 탄생시킨 빅뱅, 

가르강튀아와 같은 블랙홀의 중심, 

과거로 가는 시간여행을 들 수 있다. 

이 영역들에서 양립 불가능한 상대론 법칙들과 양자 법칙들의 

“화끈한 결혼(fiery marriage)"

은 새로운 양자 중력 법칙들을 낳는다(그림 3.2). 

우리는 양자중력 법칙들을 아직 모르지만, 

21세기의 세계 최고 과학자들의 엄청난 노력 덕분에 

초끈이론을 비롯한 몇 가지 설득력 있는 통찰들을 얻었다. 

그 통찰들에도 불구하고 양자중력(quantum gravity)은 

여전히 거의 미지의 영역으로 남아 있다. 

     p 027 ~ 029

        지리 탐사와 물리학 법칙 탐구

          3 - 우주를 지배하는 법칙들

             Ⅰ 기초

==============================

「인터스텔라」의 과학은 네 영역, 즉 

뉴턴 법칙들, 상대론 법칙들, 양자 법칙들, 양자중력 법칙들

에 모두 걸쳐 있다.

따라서 일부 내용은 진실(true)이고, 

일부는 지식에 기초한 추측(guess)이며,

일부는 막연한 사변(speculation)이다.

모름지기 진실이려면 

과학은 확립된 물리학 법칙들

(뉴턴적, 상대론적, 양자적)에 기초하고 

충분한 관찰 증거를 가지고 있어서 

우리가 그 확립된 법칙들을 

어떻게 적용할지에 대해서 

확신을 가질 수 있어야 한다.

…

진실의 예를 하나 더 들자면, 

가르강튀아 블랙홀과 그것으로 인한 빛의 굴절로 

별들의 모습이 왜곡되는 현상이 있다(그림 3.3). 

물리학자들은 이 왜곡을 

"렌즈 효과(gravitational lensing)"라고 부른다. 

왜냐하면 휘어진 렌즈나 거울에 의해서 

상이 왜곡되는 것과 비슷하기 때문이다. 

이를테면 놀이공원에서 보는 요술 거울을 생각해보라. 

아인슈타인의 상대론 법칙들은 

블랙홀의 표면부터 시작해서 그 바깥쪽에 대해서는 

중력 렌즈 효과를 포함해서 모든 속성을 명확하게 예측한다. 

천문학자들은 우리 우주에 

블랙홀들이 존재한다는 확실한 관찰 증거를 가지고 있다. 

그 블랙홀들 중에는 가르강튀아

(당대 인간들의 우매함과 미신을 비판한 라블레의 소설 

『가르강튀아 Gargartuala』[1534년 간행]의 거인 왕/옮긴이)

처럼 거대한 것도 있다. 

또한 천문학자들은 다른 천체들이 일으키는 중력 렌즈 효과를 관찰했다. 

비록 블랙홀이 일으키는 

중력 렌즈 효과는 아직 관찰하지 못했지만 말이다. 

그리고 관찰된 중력 렌즈 효과는 

아인슈타인의 상대론 법칙들과 정확히 일치한다. 

이 정도면 충분하다는 것이 나의 입장이다. 

가르강튀아가 일으키는 중력렌즈 효과는 진실이다. 

폴 프랭클린의 더블 네거티브 팀은 그 진실을 내가 제공한 

상대론 방정식들을 사용하여 시뮬레이션했다. 

그 시뮬레이션은 실제 모습과 마찬가지라고 할 만하다. 

반면에 「인터스텔라」에서 지구인의 삶을 위협하는 병충해는 

반쯤은 지식에 기초한 추측이고, 

반쯤은 막연한 사변이다. 왜 그럴까? 

기록된 역사를 통틀어 인간이 기른 작물들은 

이따금 심각한 병충해(미생물로 인해서 급속히 확산하는 병)를 당했다. 

그런 병충해의 바탕에는 생물학이 있고 

그 기반에는 화학이 있으며, 

다시 그 밑에는 양자 법칙들이 있다. 

과학자들은 양자 법칙들에서 

병충해 관련 화학 전체를 도출하는 방법을 아직 모른다.

(물론 많은 부분을 노출할 수는 있지만). 

또한 화학에서 병충해 관련 생물학 전체를 도출하는 방법도 모른다. 

그럼에도 관찰과 실험에 의지하여 

생물학자들은 병충해에 대해서 많은 것을 알아냈다. 

인류가 이제껏 경험한 병충해들은 인류의 삶을 위협할 정도로 

빠르게 한 작물에서 다른 작물로 번진 적이 없다. 

그러나 우리가 아는 어떤 지식도 

그런 괴멸적인 병충해가 불가능 하다고 보장하지는 않는다. 

그런 병충해가 가능하다는 것은 지식에 기초한 추측이다. 

그런 병충해가 어쩌면 언제가 발생하리라는 것은 

대다수의 생물학자가 개연성이 매우 낮다고 여기는 막연한 사변이다.

「인터스텔라」에서 발생하는 중력이상(重力異常 , gravitational an anomaly), 

예컨대 쿠퍼가 던진 동전이 갑자기 바닥으로 곤두박질치는 현상은 막연한 사변이다. 

그렇게 영화는 인류를 지구에서 탈출시키기 위해서 중력이상을 활용한다. 

중력을 측정하는 실험물리학자들은 

중력이상, 곧 뉴턴 법칙들이나 상대론 법칙들로 

설명할 수 없는 중력의 행동을 발견하려고 열심히 노력했지만, 

지구에서는 확실한 중력이상이 아직 관찰되지 않았다. 

그러나 양자중력을 이해하려는 노력의 결과를 보면, 

우리 우주는 고차원 "초공간(hyperspace)" 속에 깃든 

막(물리학자들이 부르는 명칭은 "브레인 brane")일 가능성이 있는 듯하다. 

물리학자들은 그 초공간을 "벌크(bulk)"라고 부른다. 

물리학자들은 이 벌크에 

아인슈타인의 상대론 법칙들을 적용해보기도 한다.

「인터스텔라」의 한 장면에서 브랜드 교수도 

연구실의 칠판에 공식들을 적어가며 그 작업을 한다. 

그러면 물리학자들은 벌크에 내재하는 물리적 장들에 의해서 

중력이상이 유발될 가능성을 발견한다. 

우리는 벌크가 정말로 존재한다고 확신할 수 있는 단계에서 

턱없이 멀리 떨어져 있다. 

또한 벌크가 존재하더라도 아인슈타인의 법칙들이 

거기에서도 통한다는 것은 지식에 기초한 추측에 불과하다. 

게다가 만약 벌크가 존재한다면, 

벌크에 중력이상을 일으킬 수 있는 장들이 내재할지, 

또 내재한다면, 

중력이상을 우리가 활용할 수 있을지

에 대해서 우리는 전혀 모른다. 

요컨대 중력이상과 그것의 활용은 꽤 극단적인 사변이다. 

그러나 나와 몇몇 친구 물리학자들이 적어도 

늦은 밤에 맥주를 앞에 놓고 둘러앉을 때면 

즐겨 안주 거리로 삼는 과학에 기초를 둔 사변이다. 

따라서 그것들은 내가 「인터스텔라」를 위해서 내놓은 원칙을 벗어나지 않는다. 

"사변은 진짜 과학에, 

적어도 일부 '존중 할 만한' 과학자들이 

가능하다고 여기는 아이디어에 기초를 두어야 한다."

이 책 전체에서 인터스텔라의 과학을 논하는 동안 나는 그 과학의 지위 

ㅡ 진실인지, 지식에 기초한 추측이지, 또는 막연한 사변인지 ㅡ 

를 설명하고 해당 장이나 절의 첫머리에서 기호로 밝힐 것이다.

T - 진실

EG - 지식에 기초한 추측

S - 막연한 사변

물론 한 아이디어의 지위 

ㅡ 진실인지, 지식에 기초한 추측인지, 막연한 사변인지 ㅡ 

는 바뀔 수 있다. 

당신은 그런 변화를 영화와 이 책에서 가끔 보게 될 것이다. 

쿠퍼에게 벌크는 지식에 기초한 추측이었다가 

그가 테서랙트를 타고 벌크에 진입할 때 진실이 된다. 

양자중력 법칙들은 막연한 사변이었다가 

타스(TARS)가 블랙홀 내부에서 그것들을 끄집어내자 

쿠퍼와 머프에게 진실이 된다.

19세기 물리학자들에게 뉴턴의 중력에 관한 역제곱 법칙은 

절대적 진실이었다. 

그러나 그 법칙은 1890년경에 수성이 태양 주위를 도는 궤도에서 

미세한 비정상성이 발견되면서 혁명적으로 뒤엎어졌다. 

우리 태양계에서 뉴턴 법칙은 진실에 매우 가깝지만 

완벽한 진실은 아니다. 

이 비정상성은 20세기에 

아인슈타인이 상대론 법칙들을 정립하는 데에 기여했다. 

이 법칙들은 처음에 (강한 중력의 영역에서는) 막연한 사변이었지만, 

관찰 데이터가 나오기 시작하면서 지식에 기초한 추측이 되었고, 

1980년경에 점점 더 개선된 관찰이 이루어지면서 진실로 진화했다. 

기존의 과학적 진실을 뒤엎는 혁명은 극히 드물다. 

그러나 그런 혁명은 일어나며 과학과 기술에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 

막연한 사변이 지식에 기초한 추측이 되고 

이어서 진실이 되는 모습을 

당신은 생전에 목격할 수 있을까? 

당신에게 확고했던 진실이 뒤집히는 혁명을 

당신은 사는 동안 한번이라도 목격한 적이 있는가?

     p 029 ~ 034

        진실, 지식에 기초한 추측, 막연한 사변

          3 - 우주를 지배하는 법칙들

             Ⅰ 기초

==============================

아인슈타인은 1907년부터 중력을 이해하기 위해서 이따금 노력했다. 

마침내 1912 년에 그는 빛나는 통찰을 할 수 있었다. 

지구나 블랙홀처럼 무거운 물체에 의해서 시간이 휘어야 하고, 

그 휨(굴곡)의 원인은 중력임을 깨달은 것이다. 

그는 이 통찰을 명료한 수학 공식으로 표현했는데, 

내가 즐겨 "아인슈타인의 시간 굴곡 통찰 법칙" 이라고 부르는 

그 공식을 일상적인 말로 풀면 이런 뜻이다. 

만물은 자신이 가장 천천히 늙는 곳에서 살고 싶어하며, 

중력은 만물을 그곳으로 이끈다. 

시간이 느려지는 정도가 클수록, 

중력의 끌어당김도 그만큼 강하다. 

지구에서는 

시간이 하루에 겨우 몇 마이크로 초의 비율로 느려지는데, 

중력도 그리 강하지 않다. 

중성자별의 표면에서는 

시간이 하루에 몇 시간의 비율로 느려지며 

중력은 어마어마하게 강하다. 

블랙홀의 표면에서 

시간은 느려지다 못해 멈추고 

중력은 빛을 포함해서 그 무엇도 빠져나갈 수 없을 만큼 막강하다. 

이처럼 블랙홀 근처에서 시간이 느려지는 현상은 

「인터스텔라」에서 중요한 역할을 한다. 

쿠퍼는 가르강튀아에 접근하면서 

지구에 있는 딸 머프를 다시 볼 희망을 버린다. 

그가 그 블랙홀에 다가가며 겨우 몇 시간 늙는 동안에 

지구의 머프 는 무려 80년이나 늙기 때문이다. 

인류의 기술은 아인슈타인의 법칙이 나온 지 거의 반세기 후까지도 

그 법칙을 검증하기에는 너무 보잘것없었다. 

최초의 유효한 검증은 1959년에 밥 파운드와 글렌 레브카가 

'뫼스바우어 효과(Mossbauer effect)'라는 새로 발견된 현상을 이용하여 

하버드 대학에 있는 높이 24미터 건물의 바닥과 

꼭대기에서 시간이 흐르는 속도를 비교함으로써 이루어졌다.

…

아인슈타인은 천재였다.

어쩌면 역사를 통틀어 가장 위대한 과학자였을 것이다.

지구위치확인 시스템은 물리학 법칙들에 관한 아인슈타인의 통찰을 

이제야 검증할 수 있게 되었음을 보여주는 수많은 사례들 중 하나이다.

정확한 검증을 위한 기술이 개발되는 데에 반세기가 걸렸고,

아인슈타인이 서술한 현상이 일상의 한 부분이 되는 데에 또 반세기가 걸렸다.

다른 사례들을 들자면, 레이저, 핵 에너지, 양자암호 등이 있다.

     p 035 ~ 037

        아인슈타인의 시간 굴곡 법칙

          4 - 휜 시간과 공간, 기조력

             Ⅰ 기초

==============================

우리의 관심을 「인터스텔라」에 국한한다면, 

벌크는 공간 차원을 딱 하나만 더 가졌다.

즉 벌크의 공간 차원은 4개이다.

그런데 우리 인간으로서는 우리가 사는 3차원 곡면, 

4차원 벌크 속에 깃들어 휘어지는 우리 브레인 전체를 

시각적으로 상상한다는 것이 몹시 어려운 일이다.

그런 연유로 이 책 전체에서 나는 우리 브레인과 벌크를 묘사할 때 

그림 4.4에서처럼 차원을 하나 제거하고 그릴 것이다.

「인터스텔라」에서 등장인물들은 5차원을 자주 언급한다.

그런 언급에서 3개의 차원은 

우리 우주, 곧 브레인의 공간 차원들

(동서 방향, 남북 방향, 상하 방향) 을 의미한다.

네 번째 차원은 시간이며, 

다섯 번째 차원은 벌크가 추가로 가진 공간 차원 하나를 뜻한다.

벌크가 정말로 존재할까?

인류가 경험해보지 못한 5차원, 

심지어 더 높은 차원이 진짜로 있을까? 

그럴 가능성이 매우 높다.

공간 (우리 브레인) 의 굴곡은 「인터스텔라」에서 핵심적인 구실을 한다.

예컨대 공간의 굴곡은 

우리의 태양계와 가르강튀아가 사는 머나먼 우주를 연결하는 

웜홀의 존재를 위해서 필수적이다.

또한 공간의 굴곡은 웜홀 근처와 가르강튀아 블랙홀 근처의 하늘을 일그러뜨린다.

이것이 그림 3.3이 표현하는 중력 렌즈 효과이다.

그림 4.5는 공간 굴곡의 극단적인 예를 보여준다.

나의 친구이자 화가인 리아 할로런이 그린 이 상상화는 

우리 브레인에서 그 바깥의 벌크를 향해 뻗어나간 블랙홀과 

심지어 벌크를 관통하는 웜홀을 다수 포함한, 

우리 우주의 가상적인 한 구역을 표현한다.

블랙홀은 "특이점(singularity)" 이라는 뾰족한 끝점에서 막다른 곳에 이른다.

웜홀은 우리 브레인의 한 구역과 다른 구역을 연결한다.

늘 그렇듯이 나는 우리 브레인의 세 차원 가운데 하나를 제거하고 그림을 그렸다.

따라서 우리 브레인은 2차원 곡면처럼 보인다.

     p 040, 041

        공간의 굴곡 : 벌크와 우리 브레인

          4 - 휜 시간과 공간, 기조력

             Ⅰ 기초

==============================

아인슈타인의 상대론 법칙들에 따르면, 

블랙홀 근처의 행성, 별, 엔진을 끈 우주선은 

블랙홀의 휜 공간과 시간이 허용하는 

가장 곧은 경로를 따라 이동하기 마련이다.

그림 4.6은 그런 경로의 네 가지 예를 보여준다.

블랙홀 속으로 향하는 향하는 보라색 경로 두 개는 처음에 서로 평행하다.

각 경로가 곧게 뻗으려고 앴느는 가운데, 두 경로는 서로 접근한다.

공간과 시간의 굴곡이 그 경로들을 수렴시키는 것이다.

블랙홀의 둘레를 따라 뻗은 녹색 경로 두 개로 처음에는 서로 평행하다.

그러나 이 경로들은 공간과 시간의 굴곡에 의해서 서로 멀어진다.

여러 해 전에 나의 학생들과 나는 이 행성 경로들을 보는 새로운 관점을 발견했다.

아인슈타인의 상대론에는 리만 텐서(Riemann tensor) 라는 수학적 양이 나온다.

이 양은 공간과 시간의 굴곡을 상세히 알려준다.

우리는 일부 행성 경로들을 수렴시키고 

다른 행성 경로들을 발산시키는 역선들(lines of force) 이 

리만 텐서의 수학속에 숨어 있음을 발견했다. 

나의 학생 데이비드 니컬스는 

"잡아늘이다(stretch)"를 뜻하는 라틴어 "텐테레(tendere)"에 착안하여 

그 역선들을 "텐덱스 선들(Tendex lines)" 로 명명했다.

그림 4.7은 그림 4.6에 텐덱스 선 몇 개를 추가한 것이다.

녹색 경로들은 오른쪽 끝에서 서로 평행하게 출발한다.

그러나 빨간색 텐덱스 선들이 그 경로들을 잡아늘여놓는다.

나는 오른쪽 끝의 빨간색 텐덱스 선 위에 한 여성을 그려놓았다.

그 선은 그녀도 잡아늘인다.

그녀는 자신의 머리와 발을 잡아늘이려는 힘을 느낀다.

그 빨간색 텐덱스 선이 발휘하는 힘이다.

보라색 경로들은 위쪽 끝에서 서로 평행하게 출발한다.

그러나 이 경로들은 파란색 텐덱스 선들에 의해서 서로 접근한다.

파란색 텐덱스 선 위에 누운 여성의 몸도 찌그러든다.

이와 같은 잡아늘이기와 찌그리기는 

공간과 시간의 굴곡이 일으키는 효과를 

다르게 생각하는 한 방식일 뿐이다.

한 관점에서 보면, 

그 경로들이 잡아늘여지며 서로 멀어지거나, 

찌그러들며 서로 가까워지는 것은 

그 행성 경로들이 휜 공간과 시간 속에서 

최대한 곧게 뻗어나가기 때문이다.

또다른 관점에서 보면,

공간과 시간의 굴곡을 텐덱스 선들이 

(어떤 매우 심오한 방식으로) 대표해야 한다.

그리고 리만 텐서의 수학이 가르쳐주듯이 

텐덱스 선들은 실제로 공간과 시간의 굴곡을 대표한다.

오직 블랙홀만 잡아늘이는 힘과 찌그리는 힘을 산출하는 것은 아니다.

별과 행성과 위성도 산출한다.

1687년에 아이작 뉴턴은 나름의 중력이론에 기초하여 이 사실를 발견하고

바다의 밀물과 썰물을 설명했다.

달의 중력은 지구의 표면 중에서도 달과 마주한 앞면을 

반대쪽 뒷면보다 더 강하게 끌어당긴다고 뉴턴은 추론했다.

또한 지구의 양면 옆면에 작용하는 달의 중력은 

방향이 아주 약간 안쪽으로 (지구의 중심 쪽으로) 기울어진다.

왜냐하면 달의 중력은 달의 중심을 향하는데,

그 방향이 지구의 옆면에서 볼 때는 지구의 중심 쪽으로 아주 약간 기울기 때문이다.

이것이 달의 중력을 보는 일반적인 관점이다.

(그림 4.8 참조)

이번에는 관점을 바꿔보자.

지구는 방금 언급한 중력들의 평균을 느끼지 못한다.

왜냐하면 지구는 자신의 궤도를 따라 자유낙하하는 중이기 때문이다.

(이것은 인듀어런스 호가 가르강튀아 블랙홀 상공의 정박궤도 parking orbit 에 머물 때,

그 우주선의 승무원들이 가르강튀아의 중력을 느끼지 못하는 것과 마찬가지이다.

그들은 인듀어런스 호의 회전으로 인한 원심력만 느낀다.)

지구가 실제로 느끼는 것은 

그림 4.8의 오른편에 빨간색 화살표들로 표시한 힘들이다.

이 힘들은 위 단락에서 언급한 중력들 각각에서 

그것들의 평균을 뺀 결과이다.

요컨대 지구는 

앞 면을 달 쪽으로 당기고 뒷면을 반대쪽으로 당겨 늘이는 힘과 

양쪽 옆면이 서로 가까워지도록 찌그리는 힘을 느낀다. 

이것은 블랙홀 주위에서 일어나는 일과 질적으로 동일하다.

실제로 느껴지는 이 힘들은 지구 표면의 바닷물을 

지구의 앞면과 뒷면으로 당겨 벌림으로써 

그 두 곳에서 만조가 일어나게 한다. 

또한 지구의 양쪽 옆면에서는 

바닷물을 쥐어짜듯이 찌그려서 

간조가 일어나게 한다. 

지구는 24시간마다 한 바퀴 자전한다. 

따라서 우리는 24시간 동안 

두 번의 만조와 두 번의 간조를 맞는다.

물론 태양의 중력이 

밀물과 썰물에 미치는 효과도 고려해야 하겠지만, 

이 효과는 비교적 미미하다. 

달의 중력과 더불어 태양의 중력도 

지구의 바닷물을 잡아늘이고 찌그리는 작용을 한다. 

이처럼 밀물과 썰물을 일으키기 때문에, 

중력에서 유래한 이와 같은 찌그리는 힘과 잡아늘이는 힘

ㅡ 지구가 느끼는 힘들 ㅡ

을 일컬어 기조력 (起潮力, tidal force)이라고 한다. 

뉴턴의 중력 법칙들을 써서 계산한 기조력과 

아인슈 타인의 상대론 법칙들을 써서 계산한 기조력은 

매우 높은 정확도로 일치한다. 

따지고 보면 그럴 수밖에 없다. 

왜냐하면 상대론 법칙들과 뉴턴 법칙들은 

중력이 약하고 물체들이 광속보다 훨씬 더 느리게 운동하는 상황에서는 

항상 동일한 예측을 내놓기 때문이다. 

달의 기조력을 상대론의 관점에서 서술하면(그림 4,9), 

그 힘은 지구의 양 쪽 옆면을 찌그리는 파란색 텐덱스 선들과 

지구의 앞면과 뒷면을 잡아늘이 는 빨간색 텐덱스 선들에 의해서 생겨난다. 

이는 블랙홀의 텐덱스 선들(그림 4.7)과 마찬가지이다. 

달의 텐덱스 선들은 

달이 공간과 시간을 어떻게 휘는지 구체적으로 보여준다. 

그 미세한 굴곡이 

대양의 밀물과 썰물을 너끈히 일으키는 

거대한 힘을 산출한다는 것은 정말 놀라운 일이다! 

밀러 행성에서 기조력은 지구에서보다 엄청나게 크다. 

쿠퍼와 일행이 뜨린 거대한 파도를 이해하는 

열쇠는 그 어마어마한 기조력이다.

지금까지 우리는 기조력을 보는 세 가지 관점을 거론했다.

뉴턴의 관점

; 지구는 달이 발휘하는 온전한 중력을 

그대로 느끼는 것이 아니라 

(지구의 각 지점마다 다른) 

그 온전한 중력에서 평균 중력을 뺀 나머지를 느낀다.

텐덱스 선 관점

; 달의 텐덱스 선들은 지구의 바닷물을 잡아늘이고 찌그린다. 

블랙홀의 텐덱스 선들도 

블랙홀 주위 행성과 별의 경로들을 잡아늘이고 찌그린다.

가장 곧은 경로 관점

; 블랙홀 주위의 별과 행성의 경로는 

그곳의 휜공간과 시간에서 가능한 가장 곧은 경로이다.

동일한 현상을 

서로 다른 세 가지 관점에서 볼 수 있다는 것은 

대단히 이로운 상황일 수 있다. 

과학자와 공학자는 생애의 대부분을 수수께끼 풀이에 바친다. 

수수께끼는 우주선 설계에 관한 것일 수도 있다. 

혹은 블랙홀의 행동에 관한것 일 수도 있다. 

수수께끼가 무엇이든지 간에, 

한 관점에서 활로가 열리지 않는다면, 

다른 관점에서 열릴지도 모른다. 

수수께끼를 한 관점에서 고찰한 다음에 

다른 관점에서 다시 고찰하면 

흔히 새로운 아이디어를 얻을 수 있다.

「인터스텔라」 에서 브랜드 교수는 

중력이상을 이해하고 활용하기 위해서 애쓰면서 

이런 관점을 바꾸기를 실행한다. 

그것은 내가 어른이 된 이래로 

거의 모든 간을 바쳐 해온 일이기도 하다. 

     p 041 ~ 044

        기조력(起潮力)

          4 - 휜 시간과 공간, 기조력

             Ⅰ 기초

==============================

회전하지 않는 블랙홀 주위 공간은 

트램펄린과 똑같은 방식으로 휘어 있다.

무슨 말이냐면, 

블랙홀과 그 주위 공간을 

블랙홀의 적도면을 따라 자른다고 해보자.

그러면 단면이 나올 텐데,

그 단면은 2차원 곡면이다.

벌크에서 보면, 

이 곡면은 트램펄린과 똑같은 방식으로 휘어 있다.

이 특이점은 곡면이 점을 이루는, 

따라서 "무한히 휘는" 미세한 구역이다.

이 특이점에서는 중력에서 비롯된 기조력이 무한히 강하다.

따라서 우리가 아는 형태의 물질은 잡아늘여지고 찌그러져 소멸한다.

…

트램펄린에서 공간의 굴곡은 돌의 무게에 의해서 산출된다.

마찬가지로 블랙홀의 공간 굴곡도 

그 중심의 특이점에 의해서 산출되리라는 생각이 들 법한데,

이것은 틀린 생각이다.

실제로 블랙홀의 공간은 

그 공간 자체가 가진 엄청난 휨 에너지에 의해서 휜다.

지금 농담하느냐고 묻고 싶은 분도 있을 텐데,

나는 진지하다.

당신이 느끼기에 나의 설명이 어딘가 순환적이라면,

나도 그 느낌을 수긍할 수 있다.

그러나 깊은 의미가 담긴 설명이다.

화살을 쏘아 보낼 수 있을 정도로 활을 구부리려면 

많은 에너지가 필요한 것과 마찬가지로, 

공간을 구부리는(휘는) 데도 많은 에너지가 든다. 

또한 구부림 에너지가 

(활시위를 놓아서 활의 에너지를 화살에 전달하기 전까지는) 

구부려진 활에서 저장되는 것과 마찬가지로, 

휨 에너지도 블랙홀의 휜 공간에서 저장된다.

그리고 블랙홀에서는 그 휨 에너지가 막대해서 휨이 일어난다.

휨이 휨을 비선형적이며(nonlinear) 

자발적인(self-bootstrapping) 방식으로 낳는다.

일상 경험과 영 딴판이겠지만, 

이것은 아인슈타인의 상대론 법칙들이 가진 근본 특징의 하나이다.

과거로 되돌아가서 자기 자신을 낳는 

과학소설 속 인물과도 크게 다르지 않다.

이와 같은 "휨이 휨을 낳는다(Warping begets warping)" 는 시나리오는 

우리 태양계에서는 실현될 가능성이 극히 희박하다. 

우리 태양계의 모든 곳에서 

공간의 휨은 미세하고 휨 에너지는 극히 작아서 

자발적인 휨을 산출하기에는 턱없이 부족하다.

우리 태양계에서 공간의 휨은 

거의 모두 물질에 의해서 직접 산출된다.

태양을 이루는 물질, 지구를 이루는 물질, 

기타 행성들을 이루는 물질이 공간을 휜다.

반면에 블랙홀에서는 전적으로 

휨이 휨을 일으킨다.

     p 046, 047

        트램펄린 위의 개미 : 블랙홀의 공간 굴곡

          5 - 블랙홀

             Ⅰ 기초

==============================

"블랙홀" 하면 당신이 가장 먼저 떠올리는 것은 

아마도 블랙홀의 휜 공간이 아니라 

그림 5.3이 표현하는 블랙홀의 구속력일 것이다.

만약 내가 마이크로파 통신기를 가지고 블랙홀로 뛰어든다면, 

그래서 블랙홀의 사건지평(event horizon)을 통과한다면, 

나는 가차 없이 아래로, 

블랙홀의 특이점 속으로 끌려내려간다. 

그리고 내가 어떤 식으로 신호 송출을 시도하더라도,

그 신호 역시 나와 함께 끌려내려간다.

사건지평 위에 있는 관찰자는 

그 누구도 내가 지평을 통과한 후에 보낸 신호를 

영원히 포착할 수 없다.

나의 신호와 나는 블랙홀 내부에 갇힌다.

이 구속은 실은 블랙홀의 시간 굴곡에 의해서 발생한다. 

만약 내가 블랙홀의 사건지평 위에서 

로켓 엔진을 가동하여 급격한 추락을 막으면서 떠돈다면, 

내가 사건 지평에 더 가까이 접근할수록, 

나의 시간은 멈춘다.

그러므로 아인슈타인의 시간 굴곡 법칙에 따라서 

나는 무한히 강한 중력을 경험해야 한다.

사건지평을 통과하여 블랙홀의 내부에 이르면 어떻게 될까?

그곳에서는 시간이 극단적으로 휘어져 

당신이 공간적이라고 생각할 만한 방향으로 흐른다.

즉 특이점을 향해 아래로 흐른다.

아무것도 블랙홀에서 빠져나갈 수 없는 것은 

다름 아니라 이런 시간의 하향 흐름 때문이다.

만물은 가차 없이 미래로 끌려간다. 

그런데 블랙홀 내부에서는 

미래의 방향이 사건지평에서 멀어지는 아래 방향이므로,

아무것도 위로 올라가서 사건지평을 통과함으로써 

블랙홀을 탈출할 수 없다.

     p 047, 048

        사건지평과 휜 시간

          5 - 블랙홀

             Ⅰ 기초

==============================

아인슈타인의 상대론 법칙들은 매우 정확하게 검증되었다.

나는 그 법칙들이 옳다고 확신한다.

단, 그 법칙들이 양자물리학과 마주칠 때만 빼면 말이다.

「인터스텔라」 에 나오는 가르강튀아처럼 큰 블랙홀에서는 

오직 블랙홀의 중심 근처, 

곧 특이점에서만 양자물리학을 고려할 필요가 있다.

그러므로 우리 우주에 아무튼 블랙홀들이 존재한다면,

그 블랙홀들은 아인슈타인의 상대론 법칙들이 강제하는 속성들을 가져야 하고,

나는 지금까지 바로 그런 속성들을 서술했다.

내가 서술한 속성들과 그밖에 많은 속성들은 

지적으로 서로의 어깨 위에 올라탄 수많은 물리학자들에 의해서 

아인슈타인의 방정식들에서 도출되었다.

가장 중요한 인물들은 카를 슈바르츠 실트, 로이 커, 스티븐 호킹이다.

슈바르츠실트는 1915년, 제1차 세계대전 중 독일-러시아 전선에서 

비극적으로 생을 마감하기 직전에 

회전하지 않는 블랙홀 주위의 휜 시공에 관한 세부사항들을 도출했다. 

그 세부사항들을 물리학자들의 전문용어로 

"슈바르츠실트 계량 Schwarzschild metric" 이라고 한다.

뉴질랜드 수학자 커는 1963년에 

회전하는 블랙홀에 대해서 똑같은 일을 해냈다.

즉 회전하는 블랙홀의 "커 계량 Kerr metric"을 도출했다.

그리고 1970년대 초에 스티븐 호킹을 비롯한 몇몇 사람들은 

블랙홀이 별을 삼킬 때,

블랙홀과 블랙홀이 충돌하여 합쳐질 때,

블랙홀이 다른 천체의 기조력을 받을 때

에 따라야 하는 법칙들을 도출했다.

블랙홀은 확실히 존재한다.

아인슈타인의 상대론 법칙들은 

무거운 별이 핵연료를 소진하면 

반드시 쪼그라든다고 단언한다.

1939년, 로버트 오펜하이머와 그의 학생인 하틀랜드 스나이더는, 

만약 그 쪼그라듦이 정확히 구형 대칭을 이룬다면, 

쪼그라드는 별은 자기 주위에 블랙홀이 생겨나게 하고,

그 블랙홀의 중심에 특이점이 생겨나게 하고,

그 특이점 속으로 삼켜져야 함을 

아인슈타인의 법칙들을 이용하여 발견했다.

결국 물질은 남지 않는다.

어떤 물질도 전혀 남지 않는다.

결국 남는 블랙홀은 오로지 휜 공간과 시간만으로 이루어진다.

1939년 이후 몇십 년에 걸쳐 물리학자들은,

쪼그라드는 별이 찌그러지고 회전하더라도 역시 블랙홀이 산출됨을 

아인슈타인의 법칙들을 이용하여 증명했다.

컴퓨터 시뮬레이션들은 그 산출 과정을 아주 세밀하게 보여준다.

천문학자들은 우리 우주에 블랙홀이 많이 있음을 뒷받침하는 

강력한 관찰 증거들을 확보했다.

가장 아름다운 예는 우리 은하의 중심에 있는 거대한 블랙홀이다.

…

우리 은하에는 중심의 거대한 블랙홀보다 

작은 블랙홀들이 대략 1억 개 있다.

그 블랙홀들의 무게는 대개 태양의 3배에서 30배 정도이다.

우리가 이 사실을 아는 것은 

그 모든 블랙홀들에 대한 관찰 증거를 확보했기 때문이 아니라,

핵연료를 소진하면 블랙홀이 될 무거운 별들의 개수에 대해서 

천문학자들이 합의에 도달했기 때문이다.

그 합의에 기초하여 천문학자들은 

이미 연료를 소진하고 블랙홀이 된 별들이 얼마나 많을지 추론했다.

이처럼 우리 우주에 블랙홀은 없는 곳이 없다고 할 만큼 널려 있다.

다행히 우리 태양계에는 없지만 말이다.

만약 있었다면, 

그 블랙홀의 중력이 지구의 궤도를 엉망진창으로 만들었을 것이다.

지구는 태양근처로 내던져져 펄펄 끓는 곳이 되거나

반대 방향으로 내던져져 얼어붙을 것이다.

심지어 태양계 바깥이나 그 블랙홀 속으로 내던져졌을 수도 있다.

그런 지구에서는 어떤 인간도 1년 넘게 생존 할 수 없었을 것이다!

천문학자들의 추정에 따르면,

지구에서 가장 가까운 블랙홀은 약 300광년 떨어져 있다.

가장 가까운 (태양을 제외한) 별 프록시마 센타우리보다

100배 더 멀리 있는 셈이다.

     p 050 ~ 053

        우리는 이것이 진실임을 어떻게 알까?

          5 - 블랙홀

             Ⅰ 기초

==============================

블랙홀의 질량과 회전속도를 알면, 

아인슈타인의 상대론 법칙들을 써서 

그 블랙 홀의 다른 모든 속성들을 도출할 수 있다. 

그 블랙홀의 크기, 

중력의 세기, 

그 블랙홀의 적도 근처에서 

사건지평이 원심력에 의해서 얼마나 많이 부풀었는지 

그 블랙홀 너머에 있는 천체들의 빛이 겪는 중력 렌즈 효과에 관한 

세부사항들까지 모든 것을 알 수 있다. 

이것은 정말 놀라운 사실이다. 

일상 경험과 전혀 다르다. 

나의 몸무게와 내가 움직이는 속도에서 

나에 관한 모든 것을 도출할 수 있다고 상상해보라. 

나의 눈 동자 색깔, 코의 길이, 지능지수…….

존 휠러(나의 스승, "블랙홀" 이라는 이름을 지은 장본인) 는 이 사실을 

"블랙홀은 털이 없다 A black hole has no hair" 는 문구로 표현했다. 

블랙홀은 질량과 회전 외에 

다른 독립적인 속성을 가지고 있지 않다는 뜻이다. 

생각해보면 존은 이 렇게 말했어야 옳다. 

“블랙홀은 털이 두 가닥만 있는데, 

그 두 가닥에서 

블랙홀에 관한 모든 것을 도출할 수 있다."

하지만 이 말은 "털이 없다." 만큼 확 와닿지 않는다.

"털이 없다." 는 블랙홀에 관한 속담 목록과 

과학자들의 사전에 신속하게 자리잡았다. 

아인슈타인의 상대론 법칙들을 알고 있는 물리학자라면 

「인터스텔라」에 나오는 밀러 행성의 속성들로부터 

가르강튀아의 질량과 회전을 도출할 수 있고, 

이것들로부터 가르강튀아에 관한 모든 것을 도출할 수 있다.

     p 017

          6 - 가르강튀아의 해부학

             Ⅱ 가르강튀아

==============================

밀러 행성에서는 시간이 무척 느리게 흘러서 

그곳에서의 1시간은 지구에서의 7년과 같기를 바란다

고 크리스토퍼 놀런이 말했을 때, 

나는 충격을 먹었다. 

나는 그것은 불가능하다고 생각했고 크리스에게 그렇게 말했다. 

"이건 타협의 여지가 없습니다.” 크리스는 완강했다. 

그래서 나는 그 전과 후에도 몇 번 그랬듯이 

집으로 돌아와 골똘히 생각하고 

아인슈타인의 상대론 방정식들을 가지고 

몇 가지 계산을 한 끝에 해결책을 발견했다. 

만약 밀러 행성이 가르강튀아에 

빨려들지 않으면서 최대한 접근해 있다면, 

또 가르강튀아가 충분히 빠르게 회전한다면, 크리스가 요구한 

"1시간 = 7년" 시간 지체가 가능함을 발견한 것이다. 

하지만 이 가능성을 위해서 가르강튀아는 

무시 무시하게 빨리 회전해야 한다. 

블랙홀의 회전속도에는 최댓값이 있다. 

블랙홀이 그 최댓값보다 더 빠르게 회전하면, 

블랙홀의 사건지평이 사라지고 

내부의 특이점이 온 우주에 활짝 노출된다. 

쉽게 말해서, 블랙홀이 벌거숭이가 된다. 

그런데 물리학 법칙들은 

이런 일이 벌어지는 것을 금지하는 듯하다. 

나는 크리스가 요구한 엄청난 시간 지체가 발생하려면 

가르강튀아의 회전속도가 

그 최댓값과 거의 같아야 함을 발견했다. 

정확히 그 최댓값의 100조 분의 1만큼만 

그 최댓값보다 더 작아야 했다.

나는 「인터스텔라」를 과학적으로 해석할 때 

거의 늘 이 회전속도를 전제할 것이다.

…

가르강튀아의 회전속도는 가능한 최댓값과 거의 같으므로, 

아주 먼 곳에서 볼 때 타스의 궤도주기

(orbital period : 궤도를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간/옮긴이) 는 

약 1시간이다. 

당신도 직접 계산해보라. 

가르강튀아를 둘러싼 궤도의 길이가 10억 킬로미터인데, 

타스가 이 거리를 1시간에 주파한다면, 

타스의 속도는 시속 10억 킬로미터, 대략 광속이다! 

만일 가르강튀아가 최댓값보다 더 빠른 속도로 회전한다면, 

타스는 광속보다 더 빠르게 운동할 테고, 

이는 아인슈타인의 제한 속도 위반이다. 

이것은 왜 블랙홀의 회전속도에 

가능한 최댓값이 있는지 이해하는 한 방법이다.

…

1975년에 나는 블랙홀이 

그 최댓값보다 더 빠르게 회전하는 것을 막는 

자연적인 메커니즘을 발견했다. 

블랙홀의 회전속도가 최댓값에 접근하면, 

블랙홀은 자신의 회전과 

같은 방향으로 궤도 운동하는 물체들을 포획하기가 어려워지고 

따라서 회전속도를 더 높이기가 어려워진다. 

반면에 블랙홀의 회전과 

반대 방향으로 운동하는 물체들은 쉽게 포획되고, 

이 포획은 블랙홀의 회전을 늦춘다. 

그러므로 블랙홀의 회전속도가 최댓값에 가까워지면, 

블랙홀의 회전은 느려지기 십상이다. 

이 발견을 할 때 나는 블랙홀의 회전과 

같은 방향으로 궤도 운동하는 기체 원반을 집중적으로 연구했다. 

토성의 고리들과 약간 유사한 그 원반을 일컬어 

'강착원반 accretion disk'이라고 한다. 

그 원반 내부에서의 마찰 때문에, 

그 원반을 이루는 기체는 점차 나선을 그리며 

블랙홀로 빨려들어가 블랙홀의 회전속도를 높인다. 

또한 그 마찰은 기체를 가열하여 광자들을 방출하게 한다. 

블랙홀 주위 공간의 소용돌이는 블랙홀의 회전과 

같은 방향으로 운동하는 광자들을 낚아채 멀리 내던진다. 

따라서 그 광자들은 블랙홀로 빨려들 수 없다. 

반대로 그 소용돌이는 블랙홀의 회전과 

반대 방향으로 운동하려는 광자들을 낚아채 

블랙홀 속으로 쑤셔넣고, 

그러면 블랙홀의 회전이 느려진다. 

결과적으로 블랙홀의 회전속도가 최댓값의 0.998배에 이르면, 

포획된 광자들에 의한 회전속도 감소 효과와 강착하는

(블랙홀로 빨려드는) 기체에 의한 회전속도 증가 효과가 

평형을 이루게 된다. 

이 평형은 상당히 안정적인 것으로 보인다. 

대부분의 천체물리학적 환경에서 블랙홀은 

최댓값의 약 0.998배 이하의 속도로 회전한다고 나는 예측한다. 

그러나 나는 블랙홀의 회전속도가 

최댓값에 훨씬 더 접근하게 되는 

ㅡ 실제 우주에서는 극히 드물거나 전혀 없는 ㅡ 

상황들을 상상할 수 있다. 

심지어 밀러 행성에서 시간 지체가 

크리스의 요구만큼 일어나는데 필요한 회전속도, 

곧 최댓값의 100조 분의 1만큼만 

최댓값보다 작은 회전속도가 실현되는 상황도 상상할 수 있다. 

그런 상황은 개연성이 낮지만, 

불가능하지는 않다. 

영화에서는 그런 상황이 흔히 등장한다. 

위대한 영화를 만들기 위해서 

탁월한 영화감독은 흔히 극단화를 감행한다.

「해리 포터」 같은 과학 환상 영화들에서 

그 극단화는 과학적 가능성의 한계를 훌쩍 뛰어넘는다. 

반면에 과학 허구에서는 일반적으로 

가능성의 범위 안에서 극단화가 이루어진다. 

이것이 과학 환상(fantasy)과 

과학 허구(fiction)의 결정적인 차이이다.

「인터스텔라」는 과학 허구이지 과학 환상이 아니다.

가르강튀아의 초고속 회전은 

과학적으로 가능하다.

     p 059 ~ 062

        가르강튀아의 회전

          6 - 가르강튀아의 해부학

             Ⅱ 가르강튀아

==============================

「인터스텔라」에서 밀러 행성이 불모지임을 발견한 아멜리아 브랜드는 

다음으로 더 가까운 만 행성 대신에 가르강튀아에서 훨씬 더 멀리 떨어진 

에드먼드(Edmund's planet)으로 가자고 주장한다. 

“진화의 주춧돌은 우연이야." 

그녀는 쿠퍼에게 말한다. 

“블랙홀 주위를 돌고 있으면, 

우연이 충분히 많이 일어날 수 없어. 

우리에게 올 소행성, 혜성 같은 우연들을 

블랙홀이 빨아들이잖아.

저 바깥으로 멀리 나가야 해."

이 장면은 인터스텔라에서 등장인물들이 

과학을 오해하는 몇 곳 안되는 대목 중 하나이다. 

크리스토퍼 놀런은 아멜리아의 주장이 옳지 않음을 알았지만 

조나의 시나리오 초고에 나오는 이 대사를 그대로 두기로 했다. 

어떤 과학자도 판단력이 완벽할 수는 없으니까. 

가르강튀아는 소행성과 혜성뿐 아니라 

행성과 별과 작은 블랙홀도 빨아드이려고 하지만 

성공하는 경우는 드물다. 

왜 그럴까? 

가르강튀아에서 멀리 떨어진 곳에 있는 천체는 

그것의 궤도가 거의 블랙홀을 향하지 않는 한, 

각운동량(angular momentum)이 크다. 

천치가 궤도를 따라 블랙홀에 접근할 때마다 

그 큰 각운동량이 산출하는 원심력은 

가르강튀아의 중력을 쉽게 능가한다. 

그림 10.1은 그런 천체의 전형적인 궤도를 보여준다. 

이 천체는 가르강튀아의 중력에 끌려 그 블랙홀 쪽으로 이동한다. 

그러나 사건지평에 도달하기 전에 원심력이 충분히 커져서, 

그 천체는 다시 바깥쪽으로 튀어나간다. 

이런 일이 거듭해서 거의 끝없이 일어난다.

이 상황은 다른 무거운 천체(작은 블랙홀이나 별 또는 행성)와의 

우연한 마주침에 의해서만 바뀔 수 있다. 

그러면 그 천체는 그 다른 천체를 휘감아 돌며 

새총 궤적(제7장)을 그린다. 

이때 그 천체의 각운동량이 변화하고, 

그 천체는 새로운 궤도에 진입한다. 

새 궤도도 거의 항상 옛 궤도와 마찬가지로 큰 운동량을 가진다. 

따라서 그 천체는 가르강튀아로 빨려들지 않는다. 

아주 드문 경우에는 새 궤도가 그 천체를 거의 곧장 가르강튀아로 이끈다. 

이런 궤도에서는 각운동량이 충분히 작으므로 

원심력이 가르강튀아의 중력을 능가하지 못한다. 

따라서 그 천체는 가르강튀아의 사건지평을 통과하여 

그 블랙홀의 내부로 진입한다. 

천체물리학자들은 가르강튀아처럼 거대한 블랙홀 주위를 

별 수백만 개가 동시에 궤도 운동하는 상황을 시뮬레이션했다. 

모든 궤도들은 중력 새총 효과 때문에 차츰 변화하고, 

이와 함께 별들의 밀도(특정한 구역 안에 있는 별의 개수)도 변화한다. 

가르강튀아 근처의 별 밀도는 낮아지지 않고 높아진다. 

또한 소행성과 혜성의 밀도도 높아진다. 

따라서 소행성이나 혜성과 무작위로 마주치는 

빈도는 더 줄어들기는커녕 더 많아진다. 

가르강튀아 근처는 인간을 비롯한 개별 생물에게 더 위험한 환경이 되고, 

만일 충분히 많은 개체들이 살아남는다면, 

진화의 속도가 빨라진다.

     p 100, 101

           10 - 진화의 주춧돌은 우연이야

              Ⅱ 가르강튀아

==============================

웜홀(wormhole : 벌레 구멍) 이라는 이름은 

나의 스승 존 휠러가 지었다.

그는 벌레가 사과에 뚫은 구멍을 작명의 기초로 삼았다.

사과 위에서 기어다니는 개미에게 

사과 표면은 우주 전체이다.

만일 그 사과를 관통하는 벌레 구멍이 있다면,

개미가 사과 꼭대기에서 밑바닥까지 가는 길은 두 가지이다.

사과 표면을 따라 우회하는 (개미의 우주를 통과하는) 길,

그리고 벌레 구멍을 통해서 곧장 내려가는 길.

더 짧은 것은 벌레 구멍 길이다.

그 길, 곧 웜홀을 통한 길은 

개미의 우주의 한편에서 반대편으로 가는 지름길이다.

웜홀이 통과하는 사과의 달콤한 속살은 

개미의 우주의 일부가 아니다.

그 속살은 3차원 벌크, 혹은 초공간이다.

웜홀의 벽은 개미의 우주의 일부로 간주할 수 있다.

그 벽은 개미의 우주와 차원이 (2차원으로) 같을 뿐더러

웜홀의 입구에서 개미의 우주와 이어진다.

그러나 다른 관점에서 보면,

웜홀은 벽은 개미의 우주의 일부가 아니다.

웜홀과 그 벽은 

개미가 자신의 우주의 한 지점에서 벌크를 통과하여 

자신의 우주의 다른 지점으로 이동할 수 있게 해주는

지름길일 뿐이다.

     p 127

        '웜홀' 이라는이름의 유래

           14 - 웜홀

              Ⅳ 웜홀

==============================

아인슈타인이 일반상대론 물리학 법칙들을 정립한 지 

겨우 1년 뒤인 1916년, 

빈의 루트비히 플람은 웜홀을 기술하는 

아인슈타인 방정식들의 해를 발견했다. 

(물론 그는 'wormhole'이라는 명칭을 사용하지 않았다.)

오늘날 우리는 아인슈타인의 방정식들이 

다양한 (모양과 행동이 다채로운) 웜홀들을 허용함을 안다.

그러나 정확히 구형이며 중력을 발휘하는 물질을 

포함하지 않은 웜홀은 플람의 웜홀 뿐이다.

우리가 플람의 웜홀의 적도면을 자른 뒤에 그 단면을 보면,

그 웜홀과 우리 우주(우리 브레인)는 3차원이 아니라 2차원이다.

그런 다음에 우리가 우리 우주와 그 웜홀을 벌크에서 바라보면,

그것들은 그림 14.2 처럼 보인다.

우리 우주의 차원 하나를 생략한 그림이므로,

당신은 자신을 흰 종이나 웜홀의 2차원 벽에 붙어 움직이는 

2차원 존재로 상상해야 한다.

우리 우주의 위치 A에서 B로 이동하는 경로는 두 가지이다.

짧은 경로는 

웜홀의 벽을 타고 내려가는 길(파란색 점선)이고,

긴 경로는 휜 종이, 

즉 우리 우주를 따라가는 길(빨간색 점선)이다.

     p 128

        플람의 웜홀

           14 - 웜홀

              Ⅳ 웜홀

==============================

아인슈타인 방정식들의 수학에서 

그것들이 예측하는 바를 온전히 이해하는 것은 

어려운 일일 때가 많다.

주목할 만한 예로 플람의 웜홀을 들 수 있다.

1916년부터 1962년까지 거의 반세기 동안, 

물리학자들은 웜홀이 정적(static)이라고,

영원히 변화하지 않는다고 생각했다.

그러나 존 휠러와 그의 학생 로버트 풀러가 그렇지 않음을 발견했다.

웜홀의 수학을 훨씬 더 꼼꼼하게 살펴본 그들은 

웜홀이 그림 14.3이 보여주는 것처럼 

태어나고 팽창하고 수축하고 죽는다는 것을 발견했다.

처음에, 즉 그림 a에서 우리 우주는 특이점 두 개를 가졌다.

시간이 흐르면서 그 특이점들이 벌크를 가로질러 

서로에게 접근하고 만나서 웜홀을 이룬다(그림b).

그 웜홀의 둘레가 팽창했다가(그림 c,d)

다시 줄어들어 특이점들의 연결이 끊긴다(그림 e).

결국 특이점 두 개가 남는다(그림 f).

이 같은 탄생, 팽창, 수축, 단절이 

아주 신속하게 일어나기 때문에,

빛을 포함해서 그 무엇도 한편에서 웜홀을 통해서 

반대편으로 이동할 시간적 여유가 없다.

무엇이든 혹은 누구든 웜홀 통과를 시도하면

단절 지점에서 파괴될 것이다.

이 예측에 예외는 없다.

중력을 발휘하는 물질을 포함하지 않는 구형 웜홀이 

언제 어떤 식으로든 이 우주에 생겨난다면,

그 웜홀은 이 예측대로 행동할 것이다.

그렇게 행동하라고 아인슈타인의 상대론 법칙들이 명령한다.

     p 129, 130

        웜홀 붕괴

           14 - 웜홀

              Ⅳ 웜홀

==============================

우리 우주에 사는 우리 같은 사람이 보면, 

통과 가능한 웜홀은 어떤 모습으로 보일까?

나도 확실히 대답할 수는 없다.

웜홀이 열린 상태를 유지할 수 있다고 하더라도, 

어떻게 그럴 수 있는지에 관한 세부사항은 여전히 수수께끼이다.

따라서 그런 웜홀의 모양에 관한 세부사항도 알려져 있지 않다.

반면에 블랙홀에 대해서는 로이 커가 정확한 세부사항을 제시했다.

덕분에 나는 제8장에서 서술한 예측들을 확실히 내놓을 수 있었다.

그러므로 웜홀에 대해서 나는 지식에 기초한 추측만 할 수 있다.

하지만 나는 그 추측을 상당한 정도로 확신한다.

그래서 이 절의 첫머리에 EG 기호를 붙였다.

여기 지상에 웜홀이 하나 있다고 상상하자.

그 웜홀은 더블린의 그라프턴 가에서부터 

벌크를 가로질러 

캘리포니아 남부의 사막으로 이어진다.

웜홀을 통과하는 경로의 길이는 겨우 몇 미터일 수도 있다.

웜홀의 입구를 영어로는 "마우스 mouth" 라고 부른다.

당신은 더블린 쪽 입구 근처 길가의 카페에 앉아 있다.

나는 캘리포니아 쪽 입구 근처 사막에 서 있다.

양쪽 입구는 꼭 수정구처럼 보인다.

내가 캘리포니아 쪽 입구 속을 들여다보면,

더블린 그라프턴 가의 왜곡된 이미지가 보인다(그림 14.6).

그 이미지는 마치 광섬유를 통해서 이동하듯이 

웜홀을 통해서 

더블린에서 캘리포니아로 이동한 광선에 의해서 제공된다.

당신이 더블린 쪽 입구를 들여다보면,

캘리포니아 사막에 있는 여호수아나무(선인장)가 보인다.

     p 132, 133

        통과 가능한 웜홀은 어떤 모습일까?

           14 - 웜홀

              Ⅳ 웜홀

==============================

「인터스텔라」에서 쿠퍼는 이렇게 말한다.

"웜홀은 자연적으로 발생하는 현상이 아냐."

나는 전적으로 동의한다.

물리학 법칙들이 통과 가능한 웜홀을 허용한다고 하더라도,

그런 웜홀이 실제 우주에 자연적으로 존재할 

개연성은 지극히 낮다고 나는 생각한다.

하지만 이 생각은 막연한 사변보다 더 나을 것이 거의 없음을,

지식에 기초한 추측조차 아님을 고백하지 않을 수 없다.

어쩌면 풍부한 지식에 기초한 사변이라고 하겠는데,

그래도 사변은 사변이다.

자연적인 웜홀에 대한 나의 견해는 왜 이리도 비관적일까?

우리가 우리 우주에서 보는 천체들 중에는 세월이 지나면 

웜홀이 될 수 있을만한 것이 전혀 없다.

반면에 나중에 핵연료를 소진하면 쪼그라들어 

블랙홀이 될 무거운 별은 엄청나게 많이 관찰된다.

…

자연적인 웜홀의 존재에 대한 또 다른 

희박한 희망은 우주를 창조한 빅뱅이다.

비록 개연성은 아주 낮지만, 

빅뱅 자체와 더불어 통과 가능한 웜홀들이 생겨났을 가능성이 있다.

그런데 이 가능성은 단지 우리가 

빅뱅을 잘 모른다는 사실에서 유래한다.

빅뱅에 대한 우리의 지식에서는 

빅뱅과 더불어 통과 가능한 웜홀들이 생겨났을 수 있다는 

단서를 발견할 수 없다.

이것이 내가 "개연성이 아주 낮다"는 표현을 쓴 이유이다.

     p 133 ~ 135

        웜홀이 자연적인 천체로써 존재할 수 있을까?

           14 - 웜홀

              Ⅳ 웜홀

==============================

내가 진지하게 품어보는 유일한 희망은 

초고도 문명이 통과 가능한 웜홀을 만드는 것이다.

그러나 그 작업은 지독한 난관들에 봉착할 것이다.

따라서 나는 비관적이다.

기존에 없던 웜홀을 만드는 한 방법은

(만일 양자 거품더미가 존재한다면)

양자거품더미에서 지극히 작은 웜홀 하나를 떼어내서

인간적인 규모 이상으로 확대하고

별난 물질로 관통하여 열린 상태를 유지하게 하는 것이다.

이것은 초고도 문명에게 요구하기에도 무리한 작업처럼 들리지만,

어쩌면 단지 우리가 

양자 거품더미, 

웜홀 떼어내기, 

확대의 초기 단계를 지배하는 

양자중력 법칙들을 

모르기 때문에 그렇게 들리는 것일지도 모른다. 

따로 말할 필요도 없겠지만, 

우리는 별난 물질도 그리 잘 알지 못한다.

얼핏 생각하면 웜홀 만들기는 쉬울 것 같다.(그림 14.8)

우리 브레인(우리 우주)의 한 부분을 

아래쪽 벌크 속으로 눌러 구덩이를 만들고,

우리 브레인을 접고,

구덩이 바로 아래의 브레인에 구멍을 뚫고,

구덩이 밑바닥에도 구멍을 뚫고,

그 뚫린 부위를 꿰매 붙이면 된다. 간단하다!

「인터스텔라」 에서 로밀리는 

이 과정을 종이와 연필을 가지고 시연한다.

연필과 종이로 하는 이 작업을 

3차원 공간에서 보면 더할 나위 없이 쉽게 보이겠지만,

종이가 우리 브레인이고 이 작업을 우리 브레인에 속한 문명이 

우리 브레인 안에서 수행해야 한다면,

이 작업은 끔찍하게 어렵다.

솔직히 나는 우리 브레인 안에서 

이 작업 단계들을 수행하는 방법을 전혀 모르겠다.

단 하나, 우리 브레인에 구덩이를 만드는 

첫 단계를 수행하는 방법만 안다.

(이 단계는 중성자별처럼 밀도가 매우 높은 천체만 있으면 수행할 수 있다.)

뿐만 아니라 우리 브레인에 구멍을 뚫는 것이 가능하다고 하더라도,

이 작업은 양자중력 법칙들의 도움을 받아야만 수행할 수 있다.

아인슈타인의 상대론 법칙들은 

우리 브레인을 찢는 것을 금지한다.

따라서 그런 찢기를 수행할 희망은 

그의 법칙들이 무력해지는 곳,

즉 양자중력의 영역에서만 품어볼 수 있다.

     p 135, 136

        초고도 문명이 웜홀을 창조할 수 있을까?

           14 - 웜홀

              Ⅳ 웜홀

==============================

우리 우주에서 공간은 3개의 차원을 가졌다. 

그것들은 위아래 차원 동서 차원 남북 차원이다. 

그러나 친구와 점심 약속을 하려면, 

장소뿐 아니라 시간도 정해야 한다. 

이런 의미에서 시간은 네 번째 차원이다. 

그러나 시간은 공간 차원과는 종류가 다른 차원이다. 

우리는 아무 어려움 없이 

동쪽으로 이동할 수도 있고, 

서쪽으로 이동할 수도 있다. 

양쪽 방향 중 하나를 선택하고 그 방향으로 가면 그만이다. 

반면에 점심 약속 때가 되면, 

우리는 바로 그 자리, 그 시간에서 

즉각 과거로 이동할 수 없다. 

아무리 애쓰더라도, 우리는 미래로만 이동할 수 있다. 

상대론 법칙들에 따라서 반드시 그러해야 한다. 

그럼에도 시간은 네 번째 차원, 

우리 우주의 네 번째 차원이다. 

우리의 삶이 펼쳐지는 무대는 4차원 시공(space-time)이다. 

그 시공은 공간 차원 3개와 시간 차원 하나를 가졌다. 

이 시공 무대를 실험과 수학으로 탐구하는 우리 물리학자들은 

공간과 시간이 여러 방식으로 통합되어 있음을 발견한다. 

가장 단순한 수준에서 말하면, 

우리가 먼 우주를 내다보는 것은 

먼 과거를 돌아보는 것과 마찬가지이다. 

왜냐하면 먼 우주에서 출발한 빛은 

오랜 시간이 지난 후에 우리에게 도착하기 때문이다. 

우리는 10억 광년 떨어진 퀘이사를 

10억 광년 전의 모습으로 본다. 

그 퀘이사에서 나와 우리의 망원경에 도달한 빛은 

10억 광년 전에 우리를 향해서 출발했다. 

훨씬 더 깊은 수준에서도 

공간과 시간의 통합을 발견할 수 있다. 

만약 당신이 나에 대해 상대적으로 빠르게 운동한다면, 

우리는 어떤 사건들이 동시에 일어났는지를 

각자 다르게 판단하게 된다. 

당신은 태양에서 일어난 폭발과 지구에서 일어난 폭발이 

동시적이라고 판단하는데, 

나는 지구에서의 폭발이 태양에서의 폭발보다 

5분 먼저 일어났다고 판단할 수도 있다. 

당신이 순전히 공간적이라고 여기는 대상(두 폭발 사이의 거리)을 

나는 공간적 요소와 시간적 요소가 혼합된 대상으로 보는 것이다. 

이와 같은 공간과 시간의 혼합은 직관에 반하는 듯할지 몰라도 

우리 우주의 구조 자체에 근본적으로 내재하는 속성이다.

     p 185, 186

        네 번째 차원으로써 시간

           21 - 4차원과 5차원

              Ⅵ 극한의 물리학

==============================

이 책 전체에서 나는 휜 공간을 시각화하고자 할 때 

우리 우주를 3차원 벌크 속에 자리잡은 

2차원의 휜 막(혹은 브레인)으로 표현하는 그림을 이용한다. 

예컨대 그림 21.1을 보라 말할 필요도 없겠지만, 

실제로 우리 브레인은 공간 차원을 3개 가졌고, 

벌크는 4개 가졌다. 

그러나 나는 그런 브레인과 벌크를 그다지 잘 그리지 못하기 때문에 

내 그림들에서는 대개 한 차원을 생략한다. 

벌크는 정말 실제로 존재할까, 

아니면 우리의 상상력이 지어낸 허구에 불과할까? 

1980년대까지 나를 비롯한 대다수의 

물리학자는 벌크가 허구라고 생각했다. 

어떻게 벌크가 허구란 말인가? 

우리는 우리 우주의 공간이 휘어 있음을 확실히 알지 않는가? 

우주선 바이킹 호로 보낸 전파 신호들이 

우리 우주 공간의 굴곡을 매우 정확 하게 보여주지 않는가?

그렇다…… 우리의 공간은 확실히 휘어 있다. 

그럼 생각해보자. 

우리의 공간이 정말로 휘어 있다면, 

더 차원이 높은 어떤 공간, 

어떤 벌크 속에서 있어야 할 것 아닌가? 

아니다, 이 생각은 옳지 않다. 

더 높은 차원 의 벌크가 없어도 

우리 우주는 얼마든지 휠 수 있다. 

우리 물리학자들은 우리 우주의 굴곡을 

벌크의 도움 없이 수학으로 기술할 수 있다. 

우리는 그 굴곡을 지배하는 아인슈타인의 상대론 법칙들을 

벌크의 도움 없이 정식화할 수 있다. 

사실 우리는 연구할 때 거의 항상 그렇게 한다. 

우리에게 벌크는 1980년대까지 시각적 보조수단에 불과했다. 

우리의 수학에서 무슨 일이 일어나는지 

직관하는 도움이 되는 보조수단, 

물리학자가 다른 물리학자나 비물리학자와 

소통하는 데에 도움이 되는 보조수단일 따름이었다. 

시각적 보조수단이지, 실재하는 대상이 아니었다. 

벌크가 실재한다는 것은 무슨 뜻일까? 

벌크가 실재하는지 여부를 어떻게 알아낼 수 있을까? 

벌크가 실재한다는 것은 

벌크가 우리의 측정에 영향을 미칠 수 있다는 뜻이다.