스타 트렉(Star Trek)의 과학

  여러분은 공상 과학 영화, 일명 SF 영화를 어떻게 생각하십니까? 한낱 소설이나 말 그대로의 공상일뿐라고 여기고 그리 즐기지 않으시나요? 아님 그 속에 깃든 남다른 과학에 대한 발상이나 철학을 발견하고 마니아의 대열에 적극 동참하시는 쪽인가요?

  글쓴이는 소위 SF 장르라면 소설, 만화, 게임, 영화를 불문하고 모두 좋아하는 사람 중 한 명입니다. 그래서 필자 주변에 공상 과학 영화를 말도 안된다고 하시는 분들에게, 가끔 SF 장르가 현대의 과학에 영감을 주고 발전하는데에 적지 않는 영향을 끼쳤다고 말하면, 대부분 그건 너의 생각일뿐이라는 반응을 보이시곤 합니다.

  하지만, 분명한 것은 SF라는 장르가 이 분야를 별로 즐기지 않는 분들이 생각하는 것처럼, 그리 단순하거나 황당하지만은 않다는 것을 잘 보여주는 영화와 TV시리즈가 있는데, 바로 여러분이 잘 아시는 스타 트렉(Star Trek)입니다. 

  수 많은 무예의 대가나 무술 마니아들이, 자신의 어린 시절 무도의 세계를 처음 접하게 된 계기나 영감을 준 것으로 많이 언급하는 것이 바로 이소룡의 영화이듯이, 스타 트렉은 현대 과학, 특히 그중에서도 현대 물리학에 여러 화두를 던졌고 지대한 영감을 제공하였는데, 오늘은 과연 스타 트렉의 어떤 면이 그렇다는 것인지를, 글쓴이의 전공과 밀접한 관련이 있는 현대 물리학의 관점에서 최대한 일반인들이 알기쉽게 다루어 보겠습니다.

초광속 우주 여행과 상대성 이론
  여러분도 잘 아시겠지만 스타 트렉은 여러 은하나 별들을 여행하며 겪게 되는 여러 사건과 모험, 그리고 미지의 세계에서 만나는 외계인들을 통하여 여러가지 철학적 물음이나 성찰을 요구하는 일종의 우주 여행기입니다. 그러다보니 수천, 수만 광년의 거리를 지닌 은하계나 항성계를 넘다든다는 것을 기본 가정으로 얘기가 진행될 수 밖에 없습니다. 

  하지만 여러분도 너무나 잘 알다시피 아이슈타인의 상대성 이론에 의하면, 빛보다 빨리 이동한다는 것은 사실상 불가능하기에, 스타 트렉을 처음 구상하고 시나리오를 작성하던 진 로든베리는 커다란 딜레마에 봉착하게 되었습니다. 빛의 속도에 가까와질수록 질량은 지수 함수적으로 증가해 결국 빛의 속도를 넘어서는 순간 무한대가 되어 버리므로 , 이론적으로는 초광속 비행이란 말 그대로 공상이었던 셈입니다.

  그는 고민끝에 당대의 물리학계를 향해서 자신의 시나리오 구상을 은밀히 밝히고, 이것을 뒷받침할 이론적 근거를 알려 달라고 정식으로 자문을 요청하게 됩니다. 그리고 그의 요청을 받은 물리학자들은 심사숙고와 토론 끝에 워프 항법(Warp Drive)이라는 이론적 근거를 그에게 전해 주면서, 아인슈타인의 상대성 이론이 한계를 분명히 그어놓은 광속과 그것을 능가할 수 있는 방법은 과연 없는 것인지에 대한 논의나 연구가 보다 활성화되기 시작했던 것입니다. 

  아인슈타인의 상대성 이론에 의하면, 빛의 속도로 물체가 이동할 수는 없지만 또한편으로 시간과 공간 자체를 구부리거나 수축 혹은 확장할 수 있다는 수학적 추론이 가능하기에, 그 부분을 좀더 세분화하고 구체화시킨 것이 바로 워프 항법이었던 겁니다. 한마디로, 아인슈타인의 상대성 이론이라는 절대 기준에 일종의 우회로(?!)를 만들어 초광속 비행이라는 문제에 탈출구를 열어준 셈이었습니다.

  영화나 TV시리즈 스타 트렉에 의하면, 함선 엔터프라이즈 호의 추진기에는 강력한 음에너지가 들어 있어 순간적으로 선체 후미의 공간을 크게 확장시키고 그럼으로써 우주선 엔터프라이즈 호가 손식간에 몇천, 몇만 광년 이상을 이동(확장된 공간에 떠밀려서!) 할 수 있다는 것이, 바로 이 물리학 이론의 근간입니다.

  문제는 시공간을 비틀거나 수축, 확장할 정도의 에너지라면 그 크기가 무한대의 수준으로 수렴한다는 점이며 , 설사 그런 음에너지를 만들었다고 해도 그것은 일종의 반중력 상태이기에 그것을 지지할 받침대나 특수한 보호막이 필요할뿐만 아니라, 극도로 높은 고에너지의 불안정한 상태이기 때문에, 극히 짧은 순간만 그런 상태가 유지되다가 사라져 버린다는 수학적 추론이 도출된다는 점입니다. 

 
  이게 무슨 말인지 당최 실감이 안 가시는 분들은 원자력 에너지를 한번 생각해 보시길 바랍니다. 원자 붕괴에서 방출되는 고에너지를 제어하기 위해 얼마나 많은 고도의 설비와 기술자 그리고 자본이 투입되는지...하지만 그럼에도 불구하고 원자력 발전이 절대적으로 안전하다거나 완벽하게 제어가 가능하다고 그 누구도 말을 못하고 있지 않습니까. 그런데 원자 하나의 붕괴가 아닌 시공간 자체를 구부리거나 수축, 확장하려면 도대체 어느 정도의 에너지(수학적으로는 거의 무한대의 수준으로 수렴된다!)와 설비가 필요할까요...그리고 과연 이게 임의로 제어가 가능할까요...

  바로 이러한 물리학적 난점 때문에 현대 물리학자들은 워프 항법보다 신빙성있고 가능성 있게 보는 방법을 추론하였는데, 그것이 바로 웜홀(Worm Hole)을 이용하는 시공간 이동 방법입니다. 웜홀은 인간이 만들었다기보다 블랙홀(Black Hole)이 소멸하면서 생긴 시공간의 틈을 인간이 발견하고 그것을 통하여 다른 시공간으로 이동한다는 것인데, 이것도 이론적으로는 충분히 가능하지만 과연 우리네 공간 어디에 그런 틈이 생기는지를 알아내기도 거의 불가능할뿐만 아니라, 실제로 그것을 발견하고 들어간다고 해도 그 웜홀을 통해서 어디로 이동할지는 아무도 모르기에 여전히 이론적인 구상으로만 남아 있습니다.

 
  어찌되었거나, 스타 트렉으로 인해 초광속 문제와 워프 항법 그리고 웜홀에 대한 가설과 논의가 한층 활발해졌고, 그로 인해 광속과 시공간에 대한 이론적 준거를 마련한 아인슈타인의 상대성 이론에 대해 보다 철저한 이론적 해석과 수많은 실험과 시도 그리고 음에너지와 반중력에 대한 이론 물리학의 발전이 가속화된 측면이 분명 있기에 스타 트렉의 워프 항법은 여러모로 유의미한 상징이라고 할 수 있을 것입니다.
(※상대성 이론에 대한 보충 설명 자료 링크: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%81%EB%8C%80%EC%84%B1_%EC%9D%B4%EB%A1%A0 )

순간 이동과 양자 역학
  여러분은 스타 트렉 시리즈하면 무슨 장면이 가장 먼저 떠오르시나요. 글쓴이는 이른바 순간 이동이 가장 먼저 떠오르곤 합니다. 커크 혹은 피카드 함장이 대원들을 이끌고 미지의 행성이나 공간으로 이동할 때. 반드시 나오는 장면이기도 하지요. 

  스타 트렉의 줄거리에 따르면, 순간 이동의 이론은 매우 간단하게 보입니다. 전송기에 들어간 사람의 원자와 분자 구조의 데이터를 저장한 뒤, 그것을 분해했다가 전송 장소에서 다시 재조합하는 것입니다. 그리고 그런 모습을 보며 많은 분들이 정말 저런 순간 이동이 가능하다면 얼마나 환상적일까 한번쯤 생각하지 않으신 분들은 없었을 것이라고 짐작합니다.

  하지만 이런 순간 이동이 물리학적으로는 얼마나 많은 난제가 숨어 있는지를 자세히 고민하신 분들은 아마도 소수일 것입니다. 위에서 초광속 문제를 다룰 때 주로 사용되었던 이론은 아인슈타인의 상대성 이론이었습니다. 상대성 이론은 뉴턴의 고전 물리학이 가진 역학 법칙을 그대로 이어 받으면서도 빛과 공간이란 문제를 보다 확장시킨 것인데 반해, 순간 이동이란 화두는 바로 원자 내의 운동 법칙을 주관하는 양자 역학의 세계와 관련된 것이기에 또다른 차원의 문제이며 초광속 못지않은 난제를 현대 물리학에 던진 셈이었습니다.

  현대 물리학은 상대성 이론과 양자 역학의 양대 축으로 이루어졌는데, 스타 트렉은 초광속과 순간 이동이란 화두를 통해 두 분야 모두를 다룬 격이다
  어찌되었거나, 다시 스타 트렉의 얘기로 돌아와서 순간 이동은 그동안 현대 물리학에서는 사실상 공상이라고 생각되었습니다. 그 이유는 양자 역학의 모티브를 제공한 하이젠베르크의 불확정성 원리 때문이었는데, 그의 이론에 따르면 모든 원자의 속도와 위치를 동시에 파악할 수는 없다는 것입니다.

  뉴턴의 고전 물리학과 아인슈타인의 상대성 이론에 의하면. 위치와 속도를 파악함으로써 물체가 다음 단계에 어디로 이동할지와 물체의 상태가 어떻게 될지를 예측할 수가 있었는데, 현대 물리학의 양자 역학에서는 원자 수준의 세계에서 그것은 불가능하며 위치를 파악하면 속도를 알 수 없고, 속도를 파악하면 위치를 알 수 없다는 점과, 다만 관찰자는 확률적으로(!!!) 전자나 양자가 다음에 어디로 이동할지와 상태를 가늠할 수 밖에 없다는 것이 불확정성 원리의 골자인데요.
(※불확정성 원리란: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B6%88%ED%99%95%EC%A0%95%EC%84%B1_%EC%9B%90%EB%A6%AC )

  그렇게 되니 순간 이동이란 것이 결코 가능할 수 없는 소재가 되었던 겁니다. 그러나 과학자들이란 종족은 결코 포기나 좌절을 모르는 특수한 성향을 가졌나 봅니다.

  최근들어, 물리학계에서는 스핀 입자의 얽힘 현상(Entanglement)을 이용해 양전자 하나를 공간 이동시키는데에 성공하였습니다. 그러나 이것은 엄밀하게 말해 스타 트렉에서 말하는 식의 물체 분해 후 전송 그리고 재조합은 아닙니다. 

  간단하게 말해서 얽힘 현상이란 특정 장소의 물체(입자)를 완전히 분해하거나 영향을 주면, 그 정보가 다른 장소에 있는 해당 물체(입자)에 즉각적으로 작용하다는 개념입니다. 그리고 이런 식의 전송은 자연히 도착 장소에 해당 물체(입자)를 만들 원재료가 미리 구비되어 있어야만 한다는 난점이 존재하기는 합니다. 따라서 해당 분야의 연구는 순간 이동보다는 주로 인공 지능 혹은 꿈의 컴퓨터라고 불리는 양자 컴퓨터 개발을 위해서 연구,정립되고 있는 실정이지요...

  ...어찌되었든간에, 스타 트렉에서 표현했던 의미의 전송은 아니지만, 상대성 이론의 우회로격인 워프 항법처럼 양자 역학에서도 일종의 복제(?!)를 통한 양자 전송이라는 우회로를 만든 셈이니 스타 트렉이 현대 물리학자들에게 영감을 준 것은 분명해 보이지 않습니까.
(※양자 이동에 대한 보충 자료:     
http://www.dongascience.com/info/contents.asp?mode=view&article_no=20060801153000 
http://www.studybusiness.com/HTML/Digital/01985-04-2004-DIG-04-K.htm)

함선 엔터프라이즈 호가 발사하는 광자 어뢰와 반물질, 그리고 우주론
 스타 트렉을 보면, 종종 보그 족과의 전투나 교전 장면이 나오고 그들에 대항해서 엔터프라이즈 호가 발사하는 것이 바로 광자 어뢰인데요. 스타 트렉에 따르면, 광자 어뢰는 1.5kg의 물질과 1.5kg의 반물질이 서로 만나서 엄청난 에너지를 방출하고, 이는 작은 행성 하나를 파괴할 수도 있을 정도라고 묘사되는데, 여기에도 반물질과 관련해 현대 물리학의 우주론이란 분야에 가볍지 않은 문제를 던졌다고 보여져 잠시 언급하고 가겠습니다.

  현대 물리학에서는 물질과 반물질이 만나는 순간, 서로가 가졌던 질량은 모두 소멸하고 그것이 전부 에너지로 변하기에, 그 규모나 량은 엄청날 것으로 생각하고 있습니다.

   하지만 반물질과 물질은 서로 만나면 즉각적인 폭발과 함께 소멸하게 되는데, 스타 트렉의 엔터프라이즈가 쏘는 광자 어뢰는 상당한 시간이 소요된 후, 발사가 가능하지요...마치 탄두를 장전했었다가 발사하는 것처럼 말입니다. 역시 물리학 강의가 아닌 영화이니까 이 정도는 이해해야 하겠지요...^^

  또한 고에너지 물리 실험실이 아닌 현실의 세계에서는 반물질을 발견하기가 쉽지 않을뿐더러 그것을 물리적으로 어떻게 보관할지도 미지수이기에 지금은 그저 상상의 단계에만 머무는 무기 체계라고 할 것입니다.

  이 부분에서 반물질에 대한 설명을 조금 더 부연하자면, 현대 물리학계에서는 우주 탄생 초기엔 반물질과 물질이 거의 동수의 비율로 존재했다고 믿고 있습니다. 그러다가 어느 시점인가 대칭성이 깨지면서, 오늘 날과 같은 물질 세계로만 구성된 우주가 되었다고 추론하고 있지요. 따라서, 우주 저편 어딘가에는 상당량의 반물질로만 된 우주가 있을지도 모른다는 가설을 세워두고 있습니다.

  그리고 천체 물리학에서 자주 등장하는 준항성체(준항성체: 크기는 1~2광년밖에 안 되지만, 밝기는 지름이 약 10만 광년 정도 되는 거대 은하들보다 1,000배가량 더 밝다. 이러한 엄청난 밝기로 인해 이들은 100억 광년 이상의 거리에서도 관측된다.) 를 설명하는데, 이러한 반물질의 개념을 적용해야 한다고 주장하는 물리학자도 상당합니다. 

  또한 고에너지 물리학에서 주로 연구하는 반입자도 엄밀하게 따지자면 결국 반물질입니다. 이를테면, 전자의 전하는 음(-)이지만 반입자인 양전자는 양(+)이며, 양성자의 전하는 양인데 반양성자는 음이라고 할 수 있는데, 여기서 흥미로운 점은, 반입자는 공상 과학 속에서만 있는 것이 아니라 이미 현실에서 사용되고 있다는 사실입니다. 이미 양전자 단층 촬영장치(PET : 우측 하단의 사진)는 반입자인 양전자를 방출하는 동위원소를 이용하고 있습니다. 양전자는 우리 몸 안에 있는 전자와 만나 소멸하면서,강력한 파장을 지닌 감마선을 방출함으로써 뇌종양과 같이 조기진단이 쉽지 않은 질병들을 100%로 정확하게 진단해줍니다. 

  그리고 우리가 흔히 접하는 실제 세계가 아닌 고에너지 물리 실험실의 입자 가속기 내에서는 반물질이 일상적으로 생성됩니다. 현대 물리학자들은 고에너지 입자 가속기를 통해 반양성자와 양전자로 이뤄진 `반원자'를 만드는 작업에 몰두하고 있는 중입니다.  

  암튼간에, 이렇게 스타 트렉은 현대 물리학의 양대 산맥인 상대성 이론과 양자역학, 그리고 우주론뿐만 아니라 궁극의 컴퓨터라는 양자 컴퓨터와 의학의 양전자 단층 촬영장치같은 영역에까지 커다란 화두와 영감을 제공한 정말로 보기 드문 SF 장르의 걸작 중의 걸작이라고 하겠으며, 지금까지도 TV시리즈나 영화가 계속해서 나오고 있는만큼, 앞으로는 또 어떤 첨단 물리학적 화두를 던지거나 다루게 될지 스타 트렉의 광팬중 한 사람으로써 자못 기대가 큽니다.

  따라서 만약 오늘 여러분이 이 포스팅을 보셨다면, 이 시간 이후로 스타 트렉을 위시한 다른 SF 영화를 보실 때, 결코 허황된 공상만은 아니라는 사실과 함께 인간의 상상력은 정말 무한하다라는 것을 다시한번 생각하시길 바라고, 이왕이면 SF소설이나 영화를 사랑하는 글쓴이와 같은 SF마니아의 대열에 한번쯤 동참해 보시는 것은 어떨까하는 개인적 바램이 있는데, 여러분은 어떠십니까?...^^
 

P.S: 현대 물리학적 관점에서 바라 본 스타 트렉이 아닌 TV시리즈나 영화 자체의 철학이나 지향점 , 변천사가 궁금하신 분들은 페니웨이 님의 스타 트렉 TV 시리즈의 변천사 를 참조하세요!^^

※사진 출처: 구글 이미지