[지식보관소] 시간의 물리학이 알려주는 시간의 비밀

 

 

아인슈타인은 이렇게 정지해 있는 물체가

실제로 시간 차원에서는 빛의 속도로 움직이고 있다면

이 물체가 공간상에서 사라지는 것은 사실은

시간상에서 빛의 속도를 지니는 속도로 이동을 하다가

시간 차원에서 정지를 한 것으로 보고 있습니다.

 

우리 눈에는 이 물체가 사라진 것이지만

그래프로 생각을 해보면

과거라는 시간대에서 이 물체가 존재하다가

현재라는 시간대에서 갑자기 존재하지 않게 된 것이기 때문이죠.

 

여러분은 혹시 지금 무엇을 하고 계신가요?

제가 한번 맞춰볼까요?

여러분 아마 지금 유튜브를 보고 계실 겁니다.

맞췄죠?

 

우리는 너무나 쉽게

‘지금 무엇을 하고 있다’라는 단어를 사용합니다.

하지만 지금이라는 단어는 굉장히 정의하기가 어려운 단어죠.

지금이라는 단어를 가장 정확하게 정의하려면 과거와 미래를 나누는 지금,

이 시점이 지금이 되게 됩니다.

 

하지만 명확하게는 이 지금으로부터

0.000001초 전에 있었던 일도 과거인 것이고,

0.000001초 뒤에 있었던 일은 또 미래인 것이죠.

즉 지금이라는 것은 한 장의 사진처럼

계속해서 이 사진들이 이어져 있는 시간의 하나의 단면에 불과합니다.

 

이걸 반대로 말하면 시간이라는 것은

계속해서 발생하는 지금이라는 사진을

쭉 이어서 붙여놓은 것입니다.

 

무한히 많은 지금이라는 사진이 모이고 또 모여서

시간이 되는 것이죠.

이렇게나 시간이라는 개념은 정의하기가 쉽지가 않습니다.

 

하지만 이 시간이라는 개념은

아인슈타인에 의해서 완전히 새로운 정의를 가지게 됩니다.

아안슈타인의 E= MC2은 상대성 이론에서 유도된 공식인데,

이 공식에서 E는 에너지를 나타내고, M은 질량을 나타내고, C는 빛의 속도를 나타냅니다.

그래서 계산해 보면 1kg당 242억kw/h의 말도 안 되게

엄청난 에너지를 만들어낸다는 것을 알 수가 있는데

지금이야 핵폭탄 실험에서 발생한 에너지로 사라지는 질량이

엄청난 에너지를 만들어낸다는 것을 알 수가 있지만

당시에 저런 공식은 너무나 터무니 없어 보였죠.

 

하지만 E= MC2이라는 공식이 증명이 되기도 전에

아인슈타인은 이 상대성 이론의 공식이 맞아떨어질 거라고 이미 생각을 하고 있었습니다.

아니, 대체 아인슈타인은 어떻게 그 공식에 그렇게 자신 있었던 걸까요?

근자감?

 

아인슈타인은 시간의 실체에 대해서 고민을 하면서

상상도 못할 엄청난 생각을 해냅니다.

모든 물질은 시공간에서 항상 빛의 속도를 지닌다.

즉, 시간이 흐르는 게 아니라

과거, 현재, 미래가 있는 4차원 공간에서

우리 모두 시간 방향으로 이동을 하고 있다라고 생각을 한 것입니다.

 

그러면 이게 대체 왜 E=MC2으로 이어지게 될 수 있는 걸까요?

 

뉴턴의 제2 법칙에서 F=ma는

F의 힘을 받은 물체는 a라는 가속도를 지니게 된다는 법칙입니다.

아인슈타인은 이렇게 정지해 있는 물체가

실제로 시간 차원에서는 빛의 속도로 움직이고 있다면

이 물체가 공간상에서 사라지는 것은

사실은 시간상에서 빛의 속도를 지니는 속도로 이동을 하다가

시간 차원에서 정지를 한 것으로 보고 있습니다.

 

우리 눈에는 이 물체가 사라진 것이지만

그래프로 생각을 해보면 과거라는 시간대에서 이 물체가 존재를 하다가

현재라는 시간대에서 갑자기 존재를 하지 않게 된 것이기 때문이죠.

 

그리고 모든 물체는

시공간상에서 항상 빛의 속도를 지니고 있기 때문에

그 물체가 시간상에서 갑자기 정지하게 되면 발생하는 에너지량은

F=ma를 기준으로 생각하면

a의 빛의 속도의 제곱 값을 넣어줘야 되는 것입니다.

소름 돋게도 이렇게 하면 E= MC2이라는 공식이 말이 되게 됩니다.

 

그런데 여기서부터 한 가지 더 의문이 생기게 될 겁니다.

그러면 대체 시간은 왜 한 방향으로 흐르냐는 것이죠.

이 질문에 대해서 에딩턴는

이 내용을 엔트로피 증가 법칙으로 설명하려고 합니다.

에딩턴의 설명은 이런 식이죠.

 

구조물에 충격을 가해서 구조물이 엉망진창이 되는 경우의 수는 무수히 많지만

엉망진창이 된 블록들의 에너지를 가해서

다시 원래의 구조를 가지는 경우의 수는 제한적이라고 설명을 합니다.

그래서 이런 영상을 보면 어색하게 느껴지게 되죠.

 

에딩턴은 이렇게 엔트로피는 한 방향으로 흐르는 것을 선호하기 때문에

시간이 한 방향으로 흐른다고 설명합니다.

 

그런데 슬슬 소름 돋는 얘기를 하자면

아마 상대성 이론을 대중과학 서적으로 많이 접하신 분들의 경우에

엔트로피 가설이 진실이라고 생각할 수 있겠지만

실제로 이렇게 엔트로피 주장은 완전히 틀렸습니다.

 

미국의 실험 물리학자이자 UC버클리 교수인 리처드 뮬러의

<나우 시간의 물리학>이라는 책에서

시간이 대체 왜 흐르는지에 대한 설명이 나옵니다.

뮬러의 주장에 따르면, 힉스장이 존재하는 한

엔트로피 시간 가설은 완전히 모순된다고 합니다.

 

현대 물리학 이론에 따르면

빅뱅 초기에는 힉스 입자가 우주에 존재하는 물질의 질량을 부여하지 않아서

질량이 없었던 시기가 있었습니다.

하지만 엔트로피는 질량과 굉장히 관련이 있으며

질량이 없다면 엔트로피는 증가하지 않습니다.

 

결국 우주 초창기에는 엔트로피가 증가할 수가 없어서

시간이 흐를 수 없는 시기가 있어야 합니다.

하지만 당연히 엔트로피가 증가하지 않던 시절에도 시간은 흐르고 있었고

심지어 국소적인 부분에서는 엔트로피를 감소시킬 수 있음에도

이런 국소적인 부분에서의 엔트로피 감소가

시간 흐름의 변화에 아무런 영향을 주지 않습니다.

 

리처드 뮬러는 자신이 쓴 저서 <나우: 시간의 물리학>에서

이런 오류를 찾아내는 해답을 제시합니다.

이 과정에서 상대성이론과 양자역학에 대한 놀라운 통찰력으로

시간이란 무엇이고, 왜 시간이 생겨나고, 한 방향으로 흐르는지

뮬러만의 가설을 제시합니다.

 

그리고 그 뮬러의 이론은

상대성이론과 양자역학에 완벽하게 부합하면서도

상대성이론에서 말하는 시간의 문제점 중의 하나인

자유의지의 문제점까지 해결합니다.

 

상대성이론에 따르면

시간과 공간은 밀접한 관계가 있습니다.

아니, 아예 시간이란 공간이 동일한 하나라고 보아야 합니다.

 

그렇다는 것은 공간이 늘어나거나 줄어들면

이 시간도 영향을 받아야 한다는 것입니다.

이 현상은 블랙홀을 보면 더욱더 쉽게 알 수 있습니다.

 

많은 사람들이 잘못 알고 있는 내용 중 하나는

블랙홀이 존재한다는 것입니다.

“아니, 무슨 소리야

얼마 전에 사진으로도 찍었고,

이번에 올해 가장 유명한 사진이 블랙홀 사진이라는 건데

블랙홀은 존재하지” 라고 말할지도 모르지만

100% 완성에 가까운 블랙홀만 존재할 뿐입니다.

 

<나우: 시간의 물리학>에서도 나오지만

물질이 붕괴해서 특이점 근처로 갈수록

그 바깥과 시간의 차이는 무한대에 수렴하게 됩니다.

 

블랙홀의 특이점 근처에서의 1초가

바깥세상에서는 수십억 년 후일 수도 있습니다.

가까이 갈수록 이 현상은 더 심해지는데

영화 <인터스텔라>에 나온 효과를 떠올리시면 이해하기가 쉽습니다.

 

이 얘기를 이번 영상에서 하면 너무나 시간이 길어져서

나중에 이 부분은 따로 콘텐츠로 다루기로 하고

아무튼 여기서 중요한 것은

공간의 팽창은 시간의 팽창과 밀접한 관련이 있다는 것입니다.

 

이에 대해 결국 뮬러의 가설은

빅뱅으로 인한 우주의 팽창이

새로운 공간을 계속 만들어내고 있다는 것입니다.

 

공간과 시간은 동일하기 때문에

이로 인해서 새로운 시간마저도 만들어진다는 것입니다.

이게 신기한데

이를 통하면 사실 상대성이론의 자유, 의지 문제까지도 해결이 됩니다.

 

이러한 모든 내용은 책 <나우: 시간의 물리학>에서 보다 자세하게 설명합니다.

제가 이 이야기를 이번편에서 더 하지 않는 이유는

책에서 나오는 양자 얽힘과 시간의 관계

그리고 반물질이 사실 시간을 거꾸로 움직이고 있는 입자라는 사실

그리고 블랙홀 이야기 등등

이 책에서 다루고 있는 이야기를 모두 하기에는 너무나도 방대하고

고작 500페이지 미만의 책에서

이런 내용을 너무나도 알차게 담아놓았다는 것입니다.

 

따라서 지금 다 하지 못한 이야기는

다음번에 따로 콘텐츠로 만들 계획에 있습니다.