영화 속 천재들, 히든 피겨스의 과학적 배경

영화 히든 피겨스는 NASA의 우주 개발 역사에서 중요한 역할을 했던 흑인 여성 수학자들의 실화를 바탕으로 한다. 특히, 천재적인 수학 실력을 지닌 캐서린 존슨, 프로그래밍에 뛰어났던 도로시 본, 그리고 엔지니어링에 도전했던 메리 잭슨의 이야기는 과학과 수학이 어떻게 현실에서 적용되는지를 잘 보여준다. 본문에서는 이 영화 속 등장인물들이 사용한 수학과 과학 원리를 분석하고, NASA의 우주 프로그램에서 어떤 역할을 했는지 살펴본다.

1. 캐서린 존슨과 우주 궤도 계산

캐서린 존슨은 NASA의 우주비행 프로그램에서 가장 중요한 수학적 계산을 담당한 인물이다. 그녀는 뉴턴의 운동 법칙을 활용해 우주비행사 존 글렌의 궤도 비행 경로를 계산했다. 당시 NASA는 전자식 컴퓨터를 도입했지만, 존 글렌은 컴퓨터의 계산 결과를 신뢰하지 않았고, 캐서린 존슨에게 직접 수식을 검토해달라고 요청했다. 그녀의 정확한 계산 덕분에 존 글렌은 안전하게 귀환할 수 있었다.

캐서린 존슨이 활용한 수학 개념 중 하나는 포물선 운동과 궤도 역학이다. 우주선이 지구를 떠나 궤도에 진입하는 과정은 포물선을 그리며 이루어지는데, 이는 뉴턴의 운동 법칙과 중력 방정식을 기반으로 계산된다. 또한, 그녀는 구면 삼각법을 활용하여 지구의 곡률을 고려한 항공 우주 궤도를 계산했다.

① 뉴턴의 운동 법칙과 궤도 계산

뉴턴의 운동 법칙은 우주 비행에서 가장 중요한 원리 중 하나이다. NASA는 우주선이 특정 속도로 발사될 때, 지구의 중력과 균형을 이루며 궤도를 유지하는 방법을 연구했다. 캐서린 존슨은 뉴턴의 세 가지 운동 법칙을 적용하여 우주 비행 궤적을 정확하게 계산했다.

특히, 우주선이 궤도를 이탈하지 않고 안정적으로 유지되려면 중력과 원심력이 균형을 이루어야 한다. 이러한 계산을 위해 NASA는 정밀한 수학적 모델을 필요로 했으며, 캐서린 존슨의 계산 능력이 핵심적인 역할을 했다.

② 구면 삼각법을 활용한 궤도 해석

지구는 완전한 구체가 아니라 타원형의 형태를 띠고 있기 때문에, 단순한 평면 기하학으로는 우주선의 경로를 계산할 수 없다. 캐서린 존슨은 구면 삼각법을 이용하여 우주선이 지구를 돌 때의 궤도를 분석했다. 구면 삼각법은 지구 표면의 곡률을 고려한 수학적 계산법으로, 위성 궤도와 항공 항로 계산에 필수적인 기법이다.

2. 도로시 본과 프로그래밍 혁신

도로시 본은 NASA에서 최초로 프로그래밍을 익힌 흑인 여성 과학자로, 당시 새롭게 도입된 IBM 7090 컴퓨터의 작동 방식을 독학했다. 그녀는 포트란(Fortran)이라는 초기 프로그래밍 언어를 사용해 NASA의 데이터 처리 시스템을 개발했다.

그녀의 노력 덕분에 NASA는 수동 계산 방식에서 벗어나 빠르고 정확한 컴퓨터 연산을 활용할 수 있게 되었으며, 이는 우주 개발 경쟁에서 중요한 전환점이 되었다. 도로시 본은 자신의 지식을 다른 여성들에게도 가르쳐 팀을 이끌었고, 결국 NASA 최초의 흑인 여성 매니저가 되었다.

① IBM 7090과 초기 컴퓨터 프로그래밍

IBM 7090은 NASA에서 도입한 최초의 대형 전자식 컴퓨터 중 하나였다. 이전까지 NASA의 계산은 대부분 사람이 직접 수행하는 방식이었지만, IBM 7090의 도입으로 복잡한 수학적 연산을 빠르게 해결할 수 있었다.

그러나 당시 프로그래밍을 할 줄 아는 사람이 거의 없었기 때문에, 도로시 본은 포트란이라는 프로그래밍 언어를 독학하여 NASA의 계산 업무를 자동화하는 데 성공했다. 이는 컴퓨터 과학의 발전에도 중요한 영향을 미친 사건이었다.

3. 메리 잭슨과 항공우주공학

메리 잭슨은 NASA 최초의 흑인 여성 엔지니어로, 항공역학 연구를 통해 우주선 디자인을 개선하는 데 기여했다. 그녀는 공기 역학 실험을 통해 항력(Drag)과 양력(Lift)을 연구하며 우주선이 대기권을 통과할 때 받는 영향을 분석했다.

특히, 그녀는 NASA에서 공기 역학 연구소(Wind Tunnel Lab)에서 실험을 진행하며, 우주선이 대기권을 안전하게 통과할 수 있도록 설계하는 연구를 수행했다. 이 과정에서 그녀는 나사(NACA, NASA의 전신)에서 진행된 유체 역학 실험을 활용하여 우주선의 외형을 최적화하는 데 기여했다.

4. 히든 피겨스가 보여준 과학과 수학의 힘

영화 히든 피겨스는 단순한 인종 차별 극복 스토리를 넘어, 수학과 과학이 실제로 인류의 우주 탐사에 어떻게 기여했는지를 보여준다. 특히, 다음과 같은 과학적 원리들이 영화 속에서 중요한 역할을 한다.

• 뉴턴의 운동 법칙: 우주선이 지구를 떠나고 귀환하는 과정에서 가속도, 속도, 중력이 어떻게 작용하는지를 설명.
• 구면 삼각법: 지구의 곡률을 고려하여 장거리 이동 경로를 계산하는 수학적 기법.
• 항공역학: 대기권을 통과하는 우주선의 공기 저항과 양력을 최적화하는 기술.
• 컴퓨터 프로그래밍: 복잡한 계산을 자동화하고, 빠르고 정확한 데이터를 처리하는 방식.

결론: 과학자를 소망하는 학생이 알아야할 점

NASA에서 활약한 캐서린 존슨, 도로시 본, 메리 잭슨의 이야기는 과학과 수학이 현실 세계에서 얼마나 중요한 역할을 하는지를 보여준다. 이들은 모두 STEM(과학, 기술, 공학, 수학) 분야에서 뛰어난 업적을 남겼으며, 현대 과학 기술 발전에도 큰 영향을 미쳤다.

우주과학, 공학, 수학을 꿈꾸는 학생이라면, 이 영화를 통해 과학이 현실에서 어떻게 응용되는지 배우고, 자신의 꿈을 향해 도전하는 용기를 얻을 수 있을 것이다.