[Physics] 일반 상대성 이론의 3차원 가시화 영상

 일반 상대성 이론은 질량이 공간을 휘게 한다는 이론으로, 이로부터 중력이라는 힘과 시간의 상대적 흐름의 변화를 설명하는 이론이다.

 

 질량이 공간을 휘게 한다는 것을 표현하기 위해서 보통 사용하는 방법은 2차원 평면 위에 질량이 놓여 일그러진 평면과 이 일그러짐으로 인해 서로 끌어당기는 중력을 설명하는 방법이다.

 우리가 3차원을 인식할 수 있기에 3차원 공간에서 일그러짐을 표현하는 것은 꽤 어려운 일이다. 여기에 시간 까지 포함한 4개의 차원을 가시화 하는 것은 힘들기 때문에 2차원 평면으로 대체하여 설명하는 것이 일반적인 방법이다. 

 오늘 발견한 이 영상은 질량에 의한 시공간, 4개의 차원의 변화를 3차원 애니메이션으로 표현한 영상이다. 대충 느낌은 알고 있었지만 직접 보고 나니 정말 놀랍다. 정말 훌륭한 가시화 방법이다.

 

 한 가지 어려운 부분은 공간 격자가 질량에 의해 수축하는 것처럼 보이는 애니메이션 이었는데, 이는 실제로 수축하는 것이 아니라 3차원 구 상의 2차원 평면의 이동을 관측할 때, 수평한 두 격자가 3차원 구의 곡률로 인해 수축하는 것 처럼 보이는 것과 마찬가지라는 것이었다. 우리는 3차원 공간에서 시간 축을 따라 이동하기 때문에 마치 2차원 평면에서 이동할 때 격자가 수축하는 것 처럼, 3차원 공간 격자가 수축하는 것 처럼 보인다는 것이다.

 그래서 애니메이션에서는 grid를 계속 수축 시키는 형태가 아닌 일정 간격을 두고 다시 생성 하는 방식으로 가시화를 하였다. 

 3차원 곡면(2차원)을 이동하는 관점에서 격자 간격이 수축되는 것은 구와 같이 2차원 평면이 볼록하게 닫혀 있는 3차원 공간 위의 이동에 한정된다. 만약 끊임 없는 오목한 공간 위를 이동한다면 오히려 격자는 확장되는 것으로 보일 것이다.

 그렇다면 3차원 공간의 질량체 주변에서는 끊임없이 격자가 수축하는 것으로 보이니, 질량체 주변에서 시간이 변화하는 것은 4차원 공간에서 구와 같이 볼록한 성질을 지닌 3차원 곡면을 이동한다는 의미인데.. 혹시 이 볼록함이 구 처럼 닫힌 모양이라면 원점으로 돌아올 수 있다는 해석이 가능한 것일까? '질량'이라는 시간의 흐름에 대해 안정적인 물질 고유의 성질은 시간이라는 흐름에 있어 구의 모습처럼 완전히 모듈화 되어버린 4차원 공간의 성질에서 발현한 것일까? 

 내 얕은 생각으로는 공간이라는 것이 각 격자에서 끊임 없이 생겨나고 이것이 질량에 의해 계속해서 먹히는 (수축하는) 애니매이션이 더 그럴싸 하다는 생각이 들었다. 3차원 구에서 2차원 곡면을 이동하는 사람이 경험하는 격자의 수축은 실제로 한 시점에서 정의한 2차원 격자를 수축 시킨다. 매 시점 격자를 정의한다면 환상일 수 있으나, 한 시점에서 정의한 격자에 대해서는 사실이다. 그렇다면 영상에 따르면 3차원 공간이라는 정의는 매 시점에서 재정의 되어야 한다는 것이고 그래서 grid가 계속해서 생성되는 애니메이션 방식을 취했다는 것인데, 부자연스럽다는 느낌이 든다..

 여튼 영상 하나 만으로 많은 생각을 하게 해준다. 정말 여유가 생기면 꼭 공부해보고 싶은 분야다. (하지만, 여유는 평생 안 생길 거 같으니, 조금씩 이라도...)