아인쉬타인의 위대한 이야기 인터스텔라

상대성이론에 대해 제대로 공부해본 사람이 얼마나 될까?  내가 생각할때 물리학의 영역이지만 인문학이며 신비함을 담고 있는 이론이 바로 상대성이론이라는 생각을 한다

 

E=mc2

 

한국에서 앞으로도 아인쉬타인같은 사람이 절대 나오지 못할까? 지금의 교육시스템이라면 절대 못나온다. 스펙쌓기 외에 모든 기업이나 공기업이 쓸데없는 국영수나 상식, 역사 점수에 매몰된 줄세우기를 하는데 어떻게 창의력이 나오겠으며 통찰력을 기를 수 있겠는가? 그리고 이후에는 어떠한 노력도 하지 않고 사는것이 한국인들의 삶이다. 머리 복잡한것은 딱 싫은데다가 무언가 읽고 이해하는 것을 계속 하는 사람을 찾아보기가 힘들다.

 

자 지금부터 상대성이론에 대해 포스팅하려고 한다. 만약 이론적으로 틀린 것이 있다면 지적해주기를 바란다.

 

첫 번째 에너지에 대한 이해

 

지금은 누구나 이해하고 있는 Energy는 불과 160년전에 확립이 된다. 전기와 자기사이를 연구했던 인물은 패러데이로 가난한 집안에서 태어나 제본공으로 일하다가 위대한 발견을 한 것이다. 별개로 생각되던 전기와 자기사이의 연결성을 발견해내고 이것을 에너지라는 것으로 연결한 사실을 증명해낸다. 이후에 연구는 지속적으로 확장되고 진보되었다. 이는 모든 에너지의 합은 불변이라는 패러데이의 발견으로 인해 에너지는 단순히 수치를 잴 수 있는 그런 존재가 아니라는 생각을 하게 된다. 특히나 알버트 아인슈타인(고등학교를 다니다가 너무 틀에 박힌 교육에 배울만큼 배웠다고 중퇴를 한 후 취리히 연방 공과대학 입학 시험에 떨어지기까지 한다)은 그 에너지가 단순하게 폭팔물이나 화학물질등으로 수치화하는 것을 벗어나 온 우주에 자리한 에너지의 근원을 찾으려고 시도하기 시작한다. 우리가 보는 만큼 보이는 세상이 아닌 빅뱅으로 인해 작은 시작점에서 시작한 우주가 이렇게 광할하게 그려지는 것의 근원에는 어떤 에너지가 있을 것이다.

 

 

 

두 번째 질량은 과연 무엇일까?

 

지구에는 수많은 물질들이 존재한다. 물질의 무게나 크기를 재려고 시도한 것은 오래전부터 있어왔지만 이 모든것이 연결된다고 생각한 것은 얼마 되지 않는다. 단순히 얼음과 철이 연결되어 있을까? 단순하게 생각하면 연결되어 있지 않다. 그러나 라부아지에는 지구상에 모든 질량을 가진 물질은 연결되어 있다고 증명하였다.

 

과학시간에 질량보존의 법칙은 수없이 들어보았지만 그 본질을 제대로 이해하는 사람은 드물다. 만약 자동차와 자동차가 충돌하였을 경우 물질의 어떤 부분은 공중으로 흩어지지만 지구상에 존재하는 총 질량은 변화가 없다. 밀폐된 환경에서 쇠가 녹슬었을 경우 보통은 철이 산화되었기 때문에 무게가 가벼워졌으리라 생각하지만 더 무거워진다. 공기속에 있는 산소가 금속에 내려앉아 녹슨 만큼 산소의 질량이 쇠에 붙은 것이다. 이라크전쟁으로 인해 건물이 무너지고 불타버렸지만 공기중에 있는 모든 물질과 지상에 남아 있는 것을 모두 모아 질량을 잰다면 전혀 무게는 달라지지 않는다.

 

엉뚱하게도 라부아지에는 자신의 발견을 루이 16세를 위해 사용하였다. 지구상에 존재하는 모든 질량을 측정할 수 있다고 믿듯이 파리로 들어오는 모든 사람의 행적을 파악할 수 있다면 모든 사람에게 세금을 매길 수 있다는 가정하에 성벽을 지었다. 이 때문에 루이 16세가 처형당할때 라부아지에 역시 혁명군들의 손에 잡혀 죽음을 당한다.

 

지구 아니 우주적인 관점으로 볼때 어떤 물질을 만들고 연마하기 위해 압축하고 태우고 자르지만 그 결과 총 질량은 변하지 않는다. 어딘가에서 재조합되어서 떠다닐뿐이다. 자 이제 에너지와 질량이라는 두가지 물질이 전혀 상관없는것처럼 이세상에 나왔다. 이걸 연결시켜야 할까?

 

 

세번째 우주선이 빛의 속도에 근접한다면

 

빛의 빠르기는 우리가 상상할 수 없을정도이다. 간단하게는 초속 30만km를 날라간다고 알려져 있지만 정확하게는 670,214,995mph의 속도로 날라가고 이걸 km로 환산하면 1,079,252,848.8km/h의 속도로 환산된다. 인터스텔라에서 등장하는 우주선의 속도가 어느정도인지는 모르겠지만 보통 우주 왕복선은 마하 25의 속도를 낼 수 있다. 마하 900,000만이라는 속도를 낼 수 있는 빛의 속도는 가히 속도의 벽이며 질량의 증가를 보게되는 존재 그 자체이다.

 

빛은 특정한 부분이 나아가면서 다음부분을 자극해서 앞으로 나아간다. 자기 부분을 누르면 에너지가 올가가면서 전기를 생성해 다시금 나아가게 된다. 전기와 자기를 빠르게 전환해가면서 앞으로 나가간다. 전기와 자기를 상상할 수 없을 정도로 빠르게 전환하는 빛은 속도의 상한이다. 엄청난 기술로 우주선을 빛의 속도에 근접하게 날아갈수 있게 만들었다고 하면 어떻게 될까? 빛의 속도에 근접하게 되고 속도의 장벽을 넘어서기 위해 계속에서 에너지를 투입하면 속도가 빨라지는 것이 아니라 에너지가 없어지지 않고 질량에 더해진다.

 

대전 과학벨트에 들어오기로한 중이온 가속기 (총 4,604억원이 투입된)이나 입자가속기로 작은 양성자에 에너지를 주입하여 빛의 속도에 근접하게 하면 양성자의 질량이 점점 증가하게 된다. 빛의 속도에 99.9997퍼센트에 이르면 질량은 무려 430배나 늘어나게 된다.

 

 

네번째 빛의 속도의 제곱의 힘

 

샤틀레가 발견한 속도의 제곱은 대단히 통찰력있는 발견이었다. 지적인 여자이면서 왠만한 남자는 샤틀레의 대화상대가 되지 못했다고 한다. 샤틀레가 살던 시기는 뉴턴의 발견이 과학을 지배하던 세상이었다. 질량과 속도를 합쳐 에너지의 단위를 말하고 있을때 철학자였던 라이프니츠는 질량에 속도의 제곱을 곱해야 된다고 주장했다. 즉 10kg의 무게를 가진 쇠공이 5km속도로 던져질때 50단위는 운동량을 가지는 것이 아니라 10 * 25로 250단위 운동량을 가진다는 것이다.

 

라이프니츠는 정확한 근거를 제시하지 못했지만 샤틀레는 에너지에 대한 개념을 정확하게 설명하고 증명했다. 에너지는 질량 곱하기 속도의 제곱이다. 고속도로를 가다보면 100km의 속력으로 갈때 떨어져야 하는 거리를 제시하고 있다. 즉 20km의 속력으로 갈때보다 다섯배가 되었지만 멈출 수 있는 거리는 무려 25배로 늘어나는 것이다. 에너지가 그만큼 증가했다는 이야기가 되는데 이는 제동거리를 확보하기 위해 브레이크 시스템을 확보하면 이로 인해 발생되는열과 마찰로서 제동거리를 줄일 수 있을뿐이지 똑같은 힘으로 줄이려 한다면 제동거리는 25배로 늘어나게 된다.

 

 

다섯번째 힘 빛의 힘

 

빛의 속도인 670,214,996mph를 제곱하면 448,900,000,000,000,000이 나온다. 질량과 빛의 속도의 제곱을 통과한 것을 곱하게 되면 어느정도의 에너지가 생성이 될까? 만약 1kg의 질량을 아인쉬타인의 이론에 통과시키면 이론적으로 45.35924 억 킬로와트의 에너지를 만들어낼 수 있다. 지구상에서 가장 무겁다는 우라늄을 이용해야 하지만 이는 지금 과학기술의 한계때문이다.

 

빛의 힘이 들어가 있는 원자에서 가장 중요한 영역은 핵이다. 다량의 전기를 보유한 원자는 전자가 있고 핵속에는 양전하를 가진 입자인 양성자가 존재한다. 1932년 제임스 채드윅은 중성자를 발견해낸다. 이제 에너지의 근원을 찾아나가게 된다. 중성자를 원자의 핵에 근접하게 하기 위해서는 중수(H2O2)가 필요하다. 빠른 중성자가 아닌 상대적으로 느리게 움직이는 중성자가 파동하다가 핵에 침투하게 되는 것이다.

 

 

여섯번째 우리를 살게 만들어준 태양

 

태양이 없다면 지구 생명의 대부분은 이세상에 존재하지 않게 될 것이다. 태양의 존재 역시 아인쉬타인 이론으로 증명해낼 수 있다. 어떻게 저런 에너지를 만들 수 있을까? 태양이 멈추어서 지구의 멸망을 막기위해 고군분투하는 내용을 담은 영화 션샤인이 상대성이론을 그대로 적용했다고 보기에는 좀 무리가 있다.

 

은하계에 태양보다 훨씬 큰 항성들이 많다는 것은 제외하더라도 태양은 거대한 것이 사실이다. E=mc2   태양도 에너지를 내기 위해 질량을 빛의 제곱의 힘으로 수소의 핵을 태운다. 4개의 수소의 핵의 질량은 4개를 사용하여 에너지를 만드는데 그것이 타고 나면 헬륨이 남는다. 핼륨의 핵은 4개를 합친 수소의 핵보다 0.7 %가 작다. 단지 그것만으로 엄청난 에너지를 만들어내는데 매초마다 400만 톤의 수소를 핵융합하고 그 재로 헬륨을 만들어낸다.

 

엄청난 온도가 별의 내부에서 존재한다면 재에 불과했던 헬륨이 압축될 것이고 헬륨의 질량을 에너지로 전환하기 시작한다. 질량이 에너지로 변하면서 점차로 태양의 중심은 비게 된다. 그러나 다른 존재로 바뀐 원소들 역시 다시금 접촉하면서 에너지가 생겨나기 시작한다. 태양보다 훨씬 무거운 별들은 점차로 에너지가 질량으로 바뀌기 시작할 수도 있다. 그렇게 되면 별의 핵심부는 압력이 집중되고 압력은 또 다른 이름의 에너지로 부를 수 있다. 점차로 에너지가 집중되기 시작하고 공간과 시간은 질량이 집중된 곳에서 왜곡되기 시작한다.

 

엄청난 시간이 지나고 나서 질량은 점차로 에너지로 전환되고 그 에너지는 방사선의 형태로 우주에 존재하게 될 것이다. 점차로 질량은 에너지를 발산하고 난 후에 강렬한 활동을 종료가 되고 온 우주에는 방사선만이 남아있게 된다.

 

 

 

 

 일곱번째 상대성이론의 첫번째 발견 원자폭탄

 

만약 아인슈타인이 천재성을 기반으로 한 발견을 하지 못했다면 원자폭탄은 아주 먼 미래에 개발되었을 가능성이 높다. 1,2차 양차대전을 겪으면서 엄청난양의 폭탄이 유럽 전역에 뿌려졌다. 일반적인 폭탄들은 에너지를 만들어 탱크를 부수고 전투기를 부수고 도시를 폐허로 만들지만 폭탄 하나가 엄청난 에너지를 발생시키지는 못한다.

 

아인슈타인 이론에 따르면 이 모든 한계를 벗어날 수 있다. 히로시마놔 나가사끼에 떨어진 원자폭탄은 비극적인 결과를 낳았지만 아인슈타인의 비범함을 증명했다. 농축된 우라늄이 담긴 폭탄이 B-29를 떠나 일본땅으로 떨어질때 가장 파괴력이 높은 고도 600m를 택했다. 보통 원자의 핵은 다른 입자를 받아들이지 않지만 전하의 영향을 받지 않는 중성자중 일부는 핵에 박혀 핵의 균형을 깨트리기 시작한다.

 

지구가 생성되면서 비밀로 가려져 있던 우라늄의 힘은 45억년이라는 시간동안 감추어져 있었다. 우라늄 238은 왠만해서 깨지지 않지만 우라늄 235는 깨질 가능성이 높다. 조밀한 우라늄은 아주 빠르게  E=mc2   의 힘으로 에너지를 만들기 시작한다. 빛의 속도로 움직이기 시작하는 중성자 파편은 원자폭판의 금속을 가열하기 시작하고 우라늄 핵의 운동 에너지는 열 에너지로 변환하면서 열이 밖으로 표출되기 시작한다. 이 모든 과정이 1초만에 이루어진다. 뜨거워진 원자폭탄은 감마선을 내뿜으며 에너지를 발산한다. 감마선 복사와 함께 열덩어리는 갑자기 팽창하기 시작한다. 원자폭탄을 처음 본사람은 아마 다른 태양을 보는듯한 느낌을 받을 것이다. 엄청난 열기는 수십만의 사람들을 태워버리면서 확 퍼져나간다. 마치 터미네이터에서 그려진 그것처럼 고통을 느낄새도 없이 말이다.

 

지구상의 풍속으로 잴 수 없을만큼 빠른 속도로 공기를 밀어내고 그 중심의 공기는 아무것도 남지 않는다. 중앙에 비워낸 대기를 채우기 위해 빠른 속도로 공기가 밀려들기 시작하고 거대한 버섯구름이 이때 만들어진다.

 

우리는 살면서 평생 탄소를 마시면서 살아간다. 아주 조금이지만 새로운 탄소 원자의 불안정한 핵이 베타 붕괴하며서 전자를 방출하는데 이는 탄소라는 질량이 붕괴되면서 발생한다. 우리의 삶이 끝나면 이 불안정한 탄소는 더이상 들어오지 않는다. 결국 C- 14 (불안정한 탄소)로 인해 탄소의 연대측정이 가능해지는 것이다. 탄소 파편들은 세월의 흔적을 기록하는데 시간이 지날 수록 C - 14의 양이 줄어들기 때문에 거의 정확한 연대가 측정가능해진다.

 

아인슈타인의 비범함, 통찰력, 혹은 철학으로도 표현할 수 있는 시대의 걸작 상대성 이론을 기리며...