나우 : 시간의 물리학 - 지금이란 무엇이고 시간은 왜 흐르는가

괜찮다고 말하지만 괜찮지 않은 너와 나, 우리가 안고 사는 우울. 그리고 그 감정이 가져온 마음의 병 우울증. 화제의 채널



스티븐 호킹 "시간의 역사" 20년 후,

현대 물리학은 어떻게 시간을 설명하는가



현대 물리학의 최전선, 실험물리학자 리처드 뮬러의 ‘진짜’ 시간 이야기



풀리지 않는 물리학의 최대 수수께끼

시간은 흐르는가, 흐르지 않는가

“만약 누가 나에게 묻지 않는다면 나는 알고 있다. 만약 내가 설명하려고 한다면 나는 모른다”라는 아우구스티누스의 말처럼, 시간은 인류의 오랜 수수께끼다. 시간, 그중에서도 특히 ‘지금’은 누구나 알고 있지만, 그 의미를 정확히 정의하기란 어렵다. ‘지금’을 가리키는 순간, 그것은 더 이상 ‘지금’이 아닌 과거가 되어버린다. 끊임없이 흐르고 매 순간 새로 생겨나는 이 덧없는 시간 때문에 괴로워하기는 아인슈타인도 마찬가지였다. 처음으로 시간을 물리학의 영역으로 끌어들인 아인슈타인은 “‘지금’의 대한 경험은 과거와 미래와는 다른, 인간에게 매우 특별한 뭔가를 의미”하지만, “이 중요한 차이가 물리학 안에서는 나타나지도 않고, 나타날 수도 없다”는 데 낙담했다.

‘지금’의 의미와 짝을 이루는 시간의 또 하나의 수수께끼는 ‘시간의 흐름’이다. 시간은 계속해서 움직이고 흘러가는데, 이는 ‘지금’의 의미가 계속해서 변한다는 사실로 보아 명백하다. 그렇다면 시간의 흐름이란 곧 ‘지금’의 움직임인가, 아니면 시간이 ‘지금’을 거쳐서 흘러가는 것인가, 혹은 새로운 시간이 매 순간 생겨나는 것이 ‘지금’인가? 시간이 멈추거나 혹은 느려지거나 빨라지거나 혹은 불규칙하게 흐른다면 우리는 그 변화를 알아챌 수 있는가? 왜 시간은 뒤가 아니라 앞으로만 흐르는가?





현대 실험물리학자가 말하는

‘지금’이란 무엇이고, 시간은 왜 흐르는가?

이러한 현기증 나는 질문들은 아우구스티누스에서 아인슈타인에 이르기까지 수많은 철학자, 성직자, 현대 물리학자들을 괴롭혔다. 일부 물리학자들은 ‘지금’의 의미와 시간의 흐름을 이해하려는 시도를 포기하고, 그것을 전혀 포함하지 않는 ‘시공간 다이어그램’에 만족했으며, 물리학은 ‘시간과 관계없이’ ‘시간을 초월한’ 실재의 법칙을 다루어야 하며, 시간의 흐름이란 의식이 만들어낸 허상, 환영에 불과하다고 외면했다.

하지만 저명한 실험물리학자인 리처드 뮬러는 여기에 이의를 제기한다. ‘지금’은 누구나 지각할 수 있는 실재하는 현상이며, 물리학은 측정 가능하지 않다고 해서 그것의 실재성을 부정해서는 안 되고 설명해야 한다고 주장한다. 그리고 그는 20세기 물리학이 이루어낸 위대한 진보들에 힘입어 비로소 ‘지금’을 이해할 수 있는 희망이 생겼다고 말한다.

“‘지금’을 이해하는 데에는 상대성이론, 엔트로피, 양자물리학, 반물질, 시간여행, 얽힘, 빅뱅, 암흑에너지에 대한 지식이 필요하다. 비로소 지금에 이르러서야 우리는 ‘지금’을 이해하는 데 필요한 모든 물리학 지식을 손에 넣었다.”

뮬러는 상대성이론에서 열역학, 빅뱅 이론에서 양자물리학까지 현대 물리학의 주요 성취들을 되짚으며 ‘지금’이라는 시간의 퍼즐을 하나하나 맞춰간다. 그 과정에서 엔트로피와 물리주의 같은 잘못 맞춰진 퍼즐조각들을 빼낸 후, 마침내 ‘4차원 빅뱅’이라는 검증 가능한 독자적인 설명을 제시한다.

뮬러는 실험을 통해 시간의 처음과 끝을 연구한 바 있다. 그는 빅뱅 후 50만 년경 아기 우주가 방출한 우주 마이크로파 배경복사를 관측함으로써 ‘시간의 처음’을 측정했고(이 프로젝트를 계속 추진한 조지 스무트는 2006년 노벨물리학상을 받았다), 초신성 관측을 통해 우주의 가속 팽창을 발견함으로써 ‘시간의 끝’(빅 크런치)은 없을 것임을 밝혔다(이 연구를 이어받은 제자 솔 펄머터는 2011년 노벨물리학상을 받았다).

이 책은 이론가가 아닌 실험물리학자가 시간에 대해 본격적으로 논한 최초의 책으로서, 현대 물리학이 시간에 대해 무엇을 알고 무엇을 모르는지를 상세히 설명한다. 뮬러는 물리학이 우리의 직관에 어긋나는 시간의 이상한 성질들에 대해 많은 것을 알아냈음에도, 여전히 시간이 무엇이며 실재와 어떤 관련이 있는지에 대해 모르는 것이 많음을 솔직히 인정하고, ‘지금’을 인간의 자유의지가 행사될 수 있는 유일한 순간으로 규정함으로써 물리학뿐 아니라 철학에도 중요한 함의를 가지는 주장을 펼친다.





아인슈타인, 물리학에 실험 가능한 시간을 선물하다

아인슈타인은 이제까지 당연시되었던 시간을 생각하는 방식에 근본적인 의문을 던짐으로써 물리학에 시간을 선물했다. 아인슈타인의 상대성이론은 우리가 어떤 좌표계를 기준으로 삼느냐에 따라 시간이 달라진다는 것, 중력과 속도에 의해 시간이 늘어나고 길이가 줄어들고 사건의 순서가 역전되기도 한다는 것을 처음으로 알려주었다.

상대성이론은 단순히 추상적인 이론이 아니라 저자와 같은 실험물리학자에게는 일상적으로 접하는 실재하는 현상이다. 저자는 ‘파이온’이나 ‘뮤온’ 같은 방사성 입자들을 광속의 0.9999988배로 가속해 양성자와 충돌시키면 정지 상태의 입자보다 반감기가 637배나 길어지는 것을 측정했는데, 이는 상대성이론이 예측한 값과 정확히 일치했다(파이온의 반감기는 26나노초로 사람에게는 극히 짧은 시간이지만, 아이폰에게는 36번의 기초연산을 할 수 있는 시간이다). 빠르게 움직이는 물체에서 시간이 더 느리게 흐른다는 것은 우리가 흔하게 이용하는 GPS에서도 확인된다. 초속 3.86킬로미터로 궤도를 도는 GPS 위성은 ‘시간 지연’ 효과로 하루에 7,200나노초씩 느려진다. 상대성이론의 계산을 통해 보정해주지 않으면 하루 2.25킬로미터씩 잘못된 위치정보를 주게 된다.

상대성이론은 두 사건이 하나의 좌표계에서는 동시에 일어나는 듯 보여도, 다른 좌표계에서는 동시가 아닐 수 있다는 등의 ‘역설’로 많은 사람들을 어리둥절하게 만들었다. 그러한 역설 가운데 하나인 ‘타키온 살인’을 간단히 살펴보자.

메리가 빛보다 빠른 가상의 입자 ‘타키온’을 총으로 쏘아 존을 살해한다. 메리는 지구 좌표계가 아닌 광속이 절반인 좌표계에서 재판을 받겠다고 신청한다(빛보다 느린 좌표계는 상대성이론에 모순되지 않는다). 지구 좌표계에서 두 사건의 시간 간격은 양의 값을 갖지만, 광속이 절반인 좌표계에서는 음의 값을 갖는다. 음의 값이란 곧 두 사건의 순서가 역전됨을 의미한다. 즉 지구 좌표계에서는 메리가 총을 쏜 다음 존의 죽음이 일어나지만, 광속이 절반인 좌표계에서는 발사보다 심장을 꿰뚫리는 게 먼저 일어난다. 메리가 총을 쏘기도 전에 존은 이미 죽었으므로 메리는 무죄가 된다.

타키온 살인 역설에 대한 한 가지 설명은 이러한 물리학이 지배하는 세계에서는 자유의지는 없고 모든 것은 결정되어 있다는 것이다. 존이 죽는 것, 메리가 총을 쏘는 것은 순서와 상관없이 모두 일어나는 것이 불가피한 사건들이며, 따라서 둘은 그렇게 하는 것 외에 다른 선택이 없다는 것이다. 그러나 뮬러는 다행히도 타키온과 같은 입자는 아직 발견되지 않았으며, 이러한 사실이 자유의지가 존재한다는 것을 반증 가증하게 해준다고 강조한다.





엔트로피로는 ‘시간의 흐름’을 설명할 수 없다

‘무엇이 시간을 흐르게 하는가?’ ‘왜 시간은 과거에서 미래로만 흐르고, 그 역은 불가능한가?’ 이 물음에 대해 현재 물리학이 가지고 있는 유일한 대답은 엔트로피가 증가하기 때문이라는 것이다. 다른 물리학에는 시간의 방향을 지시하는 것이 아무것도 없다. 입자나 천체의 운동 영상을 바로 틀든, 거꾸로 틀든 우리는 차이를 느낄 수 없다. 하지만 찻잔이나 달걀이 부서지는 영상을 거꾸로 튼다면 우리는 그와 같은 일은 있을 법하지 않다는 것을 바로 안다. 우주의 무질서도는 시간의 흐름에 따라 증가할 뿐이다. 오직 ‘열역학 제2법칙’만이 증가라는 한 가지 방향을 가리킨다. 따라서 두 순간 중 어느 것이 먼저인가를 알아내는 방법은 간단하다. ‘둘의 엔트로피를 측정하라. 더 적은 쪽이 먼저다.’ 이에 힘입어 1920년대에 아서 에딩턴은 엔트로피의 증가가 시간의 방향을 결정한다는 ‘시간의 화살’ 이론을 주장했다.

하지만 엔트로피에 의한 시간 설명은 우리 우주가 고도로 조직화되어 있다는 사실을 가리킬 뿐이다. 우리 우주의 온도는 균일하지 않고, 모든 물질은 거대한 빈 공간에 둘러싸여 고도로 밀집되어 있다. 그리하여 열이 흐르고 물질이 부서져 텅 빈 공간으로 흩어질 확률, 엔트로피가 증가할 확률, 좀 더 무질서해질 확률이 높은 것이다. 만일 우주가 무한히 오래되었고 엔트로피가 증가할 무한한 시간이 있었다면, 이미 엔트로피는 최대치에 이르렀을지 모른다.

허블과 르메트르의 빅뱅 이론은 우리 우주가 그토록 잘 조직화된 이유가 상대적으로 어리기 때문이라고 설명했다. 불과(?) 140억 년 전에 폭발이 일어났고, 그때 팽창한 것은 물질이 아니라 공간 자체였으며, 지금도 팽창이 계속되고 있다. 엔트로피는 증가하지만 공간이 계속 팽창하기에 우주는 최대 엔트로피 상태에 도달하지 않을 수 있다. 이후 과학자들이 폭발의 잔여물인 우주 마이크로파 배경복사를 관측함으로써 빅뱅은 이론이 아닌 증명된 사실이 되었다. 뮬러가 직접 기획한 연구들은 우주 마이크로파 배경복사의 비등방성을 보여주었고, 우주 공간을 가득 채우고 있는 암흑에너지에 힘입어 우주의 팽창이 가속되고 있다는 놀라운 사실도 알아냈다. 이제 빅 크런치는 없을 것이며, 우주는 영원히 팽창할 것이고, 시간 역시 계속될 것임을 우리는 안다.

그렇다면 에딩턴의 ‘시간의 화살’은 옳았는가? 뮬러는 에딩턴의 이론이 이제까지 한 번도 실험으로 검증되지 않았고, 어떠한 예측도 제시하지 않았다고 말한다. 예측하지 않기에 반증될 수 없는 이론을 보통 ‘사이비 이론’이라고 부른다. 사실, 열역학 제2법칙은 과학법칙이라기보다는, 확률이 높은 사건은 낮은 사건보다 더 잘 일어난다는 동어반복에 불과하다. 엔트로피의 증가와 시간의 흐름은 상관관계가 있을 뿐 인과관계는 없다. 우주의 엔트로피는 국소적으로 감소하기도 하는데, 그때 시간의 흐름이 느려지는가?

최근 발견된 ‘힉스 메커니즘’도 에딩턴의 이론을 반박한다. 이 설명에 따르면, 초기 우주의 모든 입자는 질량이 없었다(이후 우주가 진화하면서 힉스 메커니즘에 의해 질량을 획득한다). 따라서 우주가 팽창하더라도 엔트로피는 증가하지 않는다. 만일 엔트로피의 증가가 시간의 화살을 결정한다면, 초기 우주는 시간의 화살을 쏘지 못한 채 영원히 멈추어야 했을 것이다. 하지만 시간은 흘렀고, 우주는 팽창했으며, 입자들은 질량을 가지게 되었다. 그렇다면 엔트로피의 증가가 시간의 방향을 결정하는 것이 아니라 사실은 정반대, 시간의 흐름이 엔트로피를 증가(국소적으로 감소)시키는 것이 아닐까?





양자물리학과 불확정성

뮬러는 시간의 흐름을 설명하는 더 나은 이론적 대안으로서 ‘양자 화살’과 ‘우주론적 화살’을 든다. 양자 화살이란 곧 20세기 물리학에 혁명을 가져온 양자물리학의 시간 설명이다.

양자물리학은 실제 세계가 ‘파동함수’라는 유령과도 같고, 빛보다 빠르게 붕괴하며, 원리상 정확히 측정할 수 없고, 그저 확률만을 예측할 수 있는 어떤 것에 의해 기술된다고 여긴다. 매우 신비롭게 들리지만, 양자이론은 우리가 사용하는 스마트폰과 컴퓨터의 설계에도 응용되고, 예측값과 관측값이 소수점 열째자리까지 일치하는 이제까지 알려진 물리학 이론 중 가장 성공적인 이론이다.

오늘날 양자물리학의 기본 관점인 ‘코펜하겐 해석’에 따르면, 한 입자의 위치 측정은 순간적으로 수광년 떨어져 있는 다른 입자의 진폭에 영향을 미친다. 따라서 우리는 입자의 미래 위치를 정확하게 예측할 수 없다. 아인슈타인은 이러한 ‘유령 같은 원격작용’을 불합리하다고 여기고 ‘숨은 변수’를 도입해 이를 설명하려고 했다. 하지만 1972년 스튜어트 프리드먼과 존 클라우저가 칼슘 원자에서 방출된 광자의 편광을 측정한 기념비적인 실험 결과를 발표했다. 애초에 이들은 코펜하겐 해석이 틀렸고 숨은 변수가 존재함을 증명하고자 했다. 그러나 결과는 정반대였다. ‘유령 같은 원격작용’은 실재했고, 이인슈타인이 틀렸다! 멀리 떨어진 두 입자가 동일한 파동함수를 공유하고, 하나의 입자를 탐지하는 것이 다른 입자에 즉각 영향을 미치는 이 ‘양자 얽힘’ 현상은 양자물리학의 불확정성 원리를 확인해준다. 양자물리학은 물리학이 불완전하고, 과거가 미래를 완전히 결정하지는 않음을 인정한다.

한편, 상대성이론과 양자물리학을 통합하려고 시도했던 폴 디랙은 진공이 사실은 텅 빈 것이 아니라 음의 질량을 가진 ‘음-에너지의 전자들’로 가득 차 있다고 예측했다. 놀랍게도 디랙이 ‘반전자’라고 부른 이 반물질은 1932년 칼 앤더슨의 실험에서 발견되었고, ‘양전자’라고 명명되었다(양전자는 오늘날 PET 같은 의료기기에도 이용된다). 하지만 파인만은 디랙 방정식의 음의 부호를 음-에너지가 아니라 양의 에너지와 음의 시간의 결합으로 볼 것을 제안했다. 양전자는 사실 시간을 거슬러 움직이는 전자라는 것이다. 이러한 전자의 ‘시간 역행 이동’은 아직 이론일 뿐이지만(호킹은 이것이 미시세계에서만 가능하고 인간이 속한 거시세계에서는 불가능하다고 믿었다), 시간여행과 인과성, 자유의지에 대한 우리의 생각을 자극한다.





스티븐 호킹 《시간의 역사》를 잇는

독창적이며 검증 가능한 시간에 대한 4D 빅뱅 이론

뮬러는 시간에 관한 물리학의 여러 이론을 살펴본 후, ‘우주론적 화살’이라는 자기만의 이론을 제시한다. 빅뱅은 4차원 시공간의 폭발이었다. 즉 빅뱅이 일어났을 때 공간뿐 아니라 시간도 생겨났다. 우주가 계속 팽창하면서 새로운 공간을 만들어내듯이 새로운 시간 역시 만들어낸다. 팽창하는 시간의 최전선, 끝 모서리가 바로 우리가 ‘지금’이라 부르는 순간이며, 끊임없이 생성되는 새로운 ‘지금들’이 시간의 흐름을 구성한다. 시간의 화살은 우주의 엔트로피에 의해서가 아니라 빅뱅 그 자체에 의해서 설정된다.

에딩턴과 달리, 뮬러는 자신의 이론을 검증할 수 있는 방법도 제시한다. 우주의 팽창이 가속되고 있다는 사실은 시간 역시 가속되고 있음을 의미한다. 오늘의 시계가 어제의 시계보다 빨리 간다는 ‘우주론적 시간 가속’을 어떻게 탐지하고 측정할 수 있을까?

첫째, 멀리 있는 은하가 보이는 적색이동은 공간의 팽창 때문이기도 하지만 시간의 지연 효과 때문이기도 하다. 거리의 변화율을 정확히 측정한다면, 적색이동 중 어느 정도가 우주론적 시간 지연에 의한 것인지를 알 수 있을 것이다.

둘째, 인플레이션 이론은 빅뱅의 순간 우주가 빛의 속도보다 빠르게 급팽창했다고 주장한다. 그렇다면 그 순간 시간 역시 급팽창했을 것이다. 빅뱅 이후 최초의 100만 분의 1초에 방출된 중력파와 배경복사의 편광분포를 관측한다면 시간의 인플레이션을 확인할 수 있을 것이다.

셋째, ‘4차원 빅뱅 이론’에 따르면 두 개의 블랙홀이 충돌해 붕괴할 때 국소적으로 새로운 시간이 생겨나야 하고, 충격파의 뒷부분에서 시간 지연이 관측되어야 한다. 2016년 라이고(LIGO, 레이저 간섭계 중력파 관측소)가 관측한 한 개의 중력파로는 이론을 검증하기에 정확도가 떨어지지만, 이러한 신호가 앞으로 더 많이, 더 강하게 탐지된다면 뮬러의 혁신적인 이론은 확증되거나 반증될 것이다.





물리학은 자유의지의 가능성을 배제하지 않는다

이제까지 물리학은 ‘지금’도, 시간의 흐름도 없는, 시간의 변화량만이 존재하는 시공간 다이어그램에 만족했다. 심지어 그것들을 실재의 이해에 아무런 도움이 되지 않는 의미 없는 개념, 환상으로 해석하기까지 했다. “측정할 수 없는 것, 수량화할 수 없는 것은 존재하지 않는다”는 믿음을 ‘물리주의’라고 한다. 뮬러는 과학이 물리주의라는 도그마에 빠질 때 종교가 될 수 있다고 경고한다.

아인슈타인을 비롯한 일부 과학자들은 물리학이 완전해야 한다고 믿었고, 과거가 미래를 완전히 결정할 수 있고 그래야만 한다고 가정했다(연장선상에서 물리주의자들은 자유의지를 부정했다). 하지만 물리학은 완전하지 않다. 양자물리학이 알려주듯이, 물리학은 정확한 예측을 할 수 없고 오직 확률을 추정할 수 있을 뿐이다. 물리학이 기본 도구로 삼는 수학도 괴델에 의해 그 불완전성이 증명되었다. 가 무리수라는 증명이나 색 지각 경험(‘내가 보는 파란색이 당신이 보는 파란색과 같은가?’)처럼 물리적 측정으로는 얻을 수 없는 많은 ‘비물리적 지식들’이 엄연히 존재한다.

현대 물리학은 과거가 완전히 미래를 결정한다는 가정을 지지하지 않으며, 자유의지의 가능성을 결코 배제하지 않는다(타키온 같은 입자가 발견된다면 자유의지는 반증될 것이다). 자유의지란 물리적 지식뿐 아니라 비물리적 지식(윤리, 덕, 정의, 공감 등)을 이용하여 가능한 미래 중 하나를 선택하는 능력이다. ‘지금’이 우리에게 특별한 것은 우리가 미래에 영향을 미치고 바꿀 수 있는 유일한 순간, 엔트로피의 방향을 틀어 국소적으로 감소시킬 수 있는 유일한 순간이기 때문이다. 이 국소적 감소가 모든 생명과 문명의 원천이다. 우리는 우주의 엔트로피 증가를 멈출 수는 없지만, 엔트로피에 방향을 부여하고 통제할 수는 있다. 우리는 찻잔을 부술 수도 만들 수도, 전쟁을 시작할 수도 평화를 찾을 수도, 문명을 번성하게 할 수도 쇠퇴하게 만들 수도 있다.