[1분과학] 시간이라는 환상!!! (과거, 현재, 미래는 이미 존재한다)

/제가 그곳에 한 시간 머물면

당신에게는 7년이라는 시간이 흐르겠지만

제게는 한 시간밖에 흐르지 않습니다./

 

영화 인터스텔라에서 인류가 이주 가능한 행성을 탐사하기 위해 쿠퍼와 아멜리아, 그리고 롬은 생명체가 살고 있다는 밀러 행성으로 향한다.

우주선에는 롬만 남아있고, 쿠퍼와 아멜리아는 밀러 행성으로 내려가는데, 3시간 정도의 험난한 행성 탐사를 마치고 우주선으로 복귀한 그들은 포싹 늙어버린 롬을 마주하게 된다.

 

..

 

어떻게 이런 일이 일어났을까?

우리는 3차원 공간에 살고 있다.

1차원엔 선이 있고, 2차원엔 면이 있고, 3차원엔 우리가 사는 입체적인 공간이 있다.

우리는 이 3차원 공간에 살고 있다...

라는 말이 사실일까?

 

아인슈타인은 우리가 살고 있는 3차원 공간에

하나의 차원이 더 연결되어 있다라는 것을 발견했다.

그것은 바로 과거, 현재, 미래를 구분하는 시간이다.

 

우리는 친구들과 약속을 정할 때, 장소만을 이야기하지 않는다.

만날 장소를 정하고 나면 꼭 언제 만날지 시간을 정해야 한다.

 

강남역에서 6시에 만나!

 

강남역이라는 공간 뒤에, 6시라는 시간을 꼭 붙여야 한다.

장소만 정하고 시간을 정하지 않으면 약속은 완성된 것이 아니고, 사람들은 서로를 만나지 못한다.

 

우리는 이렇게 공간과 시간이 합쳐진 시공간에 살고 있다.

그런데 왜 사람들은 시간이라는 4번째 차원을 떠올리지 못하고 3차원 공간에 살고 있다고 생각할까?

그 이유는 바로 우리의 눈이 3차원까지밖에 보지 못하기 때문이다.

 

만약 세상을 2차원으로밖에 보지 못하는 2차원적인 생명체가 존재한다고 가정해보자.

네모, 세모, 동그라미 모두 2차원으로 세상을 보고, 2차원의 집에 살고 있다.

여기에 어느 날, 3차원에 살고 있는 사과가 이들 앞에 떡 하니 나타났다고 가정해보자,

이들에게 사과란, 그들이 사는 2차원 면에 맞닿는 사과의 맨 밑바닥, 즉, 저 네 개의 빨간 점이 될 것이다.

 

사과가 아무리 3차원에 존재하는 자신의 모습을 설명해 주어도, 2차원만 보이는 이들은 사과의 3차원적 모습을 이해할 수 없을 것이다.

 

만약 2차원 세계에서 3차원을 이해하는 도형이 존재한다면,

그 도형은 아마 2차원 세계의 아인슈타인이 될 것이다.

 

만일 사과가 이들 앞에서 이리저리 움직이며 2차원 단면을 아래위로 통과한다면, 이들에게는 순간순간 계속 변화하는 사과의 단면만 보일 것이다.

 

그렇다면 이들은 사과의 모습이 “시간이 흐르면서” 변화했다고 생각했을까?

‘사과는 시간이 흐르면서 저렇게 나이를 먹는구나’라고 생각했을까?

사과는 어떻게 이들에게 3차원 속 자신의 진정한 모습을 보여줄 수 있을까?

2차원적 단면만 보는 이들에게, 사과의 단면을 쭉 이어서 한 번에 보여주면 되지 않을까?

 

우리는 3차원으로 세상을 본다.

4차원에 존재하는 어떤 신비한 존재가 3차원만 보이는 우리에게 4차원 세계를 설명해 준다면 어떻게 설명해 줄 수 있을까?

 

3차원적 공간을 이어서 한 번에 보여주면 되지 않을까?

3차원 공간에 1차원 시간을 더한 4차원 세계에 마주하기에 앞서,

먼저 1차원 선에 1차원 시간을 더한 2차원 시공간의 모습을 보자.

우리는 3차원까지는 쉽게 이해할 수 있다.

 

여기 1차원 공간에 사는 파란 점과 빨간 점이 있다.

서로를 향해 다가가던 두 점은 1차원 길에서 서로를 통과하지 못하고 부딪힌 후 다시 왔던 길을 돌아간다.

 

이 1차원적 공간을 X축에 두고, 시간을 Y축에 둬보자.

그러면 이 XY 평면은, 파란 점과 빨간 점이 살고 있는 2차원적 시공간이 된다.

 

1차원 이상을 보지 못하는 두 개의 점은, 시간이 흐르면서 서로를 향해 다가갔다가 멀어진다고 생각하지만, 2차원을 볼 수 있는 우리들에게 그들이 사는 2차원 시공간의 모습은

이런 모습이 된다.

이번에는 5초에 폭발하는 파란색 폭탄이 있다고 가정해보자.

1차원 공간에 사는 생명에게 이 폭탄은 5초 후 터지는 폭탄이지만, 2차원 시공간에서 보면 이 폭탄이 터지는 모습은 이렇게 된다.

그리고 열심히 꿈틀꿈틀 이동 중인 파란색 애벌레의 모습은, 이렇게!

 

이번에는 2차원 면에서 살고 있는 동그라미와 네모가 있다고 가정해보자.

여기에 1차원의 시간을 더한 3차원 시공간의 모습은 이렇게 된다.

그리고 춤추는 2차원 여성의 모습은 이렇게!

3차원까지 볼 수 있는 우리는 2차원 공간에 1차원 시간을 더한 3차원 시공간까지는 쉽게 볼 수 있다.

 

자, 그렇다면, 4차원 세계의 미스터리한 존재가 우리가 사는 4차원 시공간을 보여준다면

어떻게 될까?

우리가 2차원 시공간을 이해하기 위해 빨간 점과 파란 점을 예로 든 것처럼 이 미스터리한 존재는 맨해튼을 하루 종일 돌아다닌 이 3사람을 예로 들었다고 가정해보자.

 

이 들이 돌아다닌 3차원 공간에 시간이라는 1차원을 더한 4차원의 시공간의 모습은

이런 모습이 될 것이다.

이것을 바로 우리가 살고 있는 4차원 시공간을 3차원 공간을 연속해서 이어 붙여 2차원의 컴퓨터 스크린을 통해 1차원적으로 쪼그마한 나의 눈으로 바라본 우리들이 사는 세상이라고 할 수 있겠다.

 

그러나 인간은 3차원까지밖에 보지 못한다.

그래서 우리는 ‘지금’이라는 주관적인 관점 아래 평상시에는 이런 4차원 시공간을 볼 수 없다.

 

1차원의 파란 점과 2차원의 동그라미가 우리에게는 보이는 그들의 시공간을 보지 못하는 것처럼 말이다.

2차원에 사는 네모, 세모, 동그라미가 ‘시간이 흘러’ 변화하는 3차원 사과의 단면만 보았듯이

3차원에 사는 우리는 ‘시간이 흘러’ 변화하는 4차원의 한 부분밖에 보지 못한다.

 

2차원에 사는 네모, 세모, 동그라미는 3차원 사과의 단면을 보며 사과라는 녀석은 조금 찌그러진 원이구나 라고 생각할지 모른다.

아니면 네모, 세모, 동그라민 자신들의 모습이 사실은 정육면체 삼각기둥 원기둥일지도 모른다.

지금 검은 화면에 비친 나의 모습은 4차원에 있는 나의 그림자일까?

 

시간은 시간이 아니다.

시간이란 계속해서 변화하는 순간순간을 이해하기 위해 우리가 만들어낸 환상이다.

우리는 공간과 시간을 따로 분리하여 생각하지만

1차원 선이 또 다른 1차원 선을 만나 2차원 면을 만들고

2차원 면이 또 다른 2차원 면을 만나 3차원 공간을 만들 듯이

 

다시 말해 1차원에서 시간이 흘러 2차원 면이 되고

2차원에서 시간이 흘러 3차원 공간이 되듯이

시간이란 공간과 같은 하나의 차원이다.

 

그리고 우리는 3차원에서 시간이 흘러 4차원을 만드는

다시 말해 3차원 공간이 또 다른 3차원 공간을 만나

4차원 시공간을 만드는 4차원 세계에 살고 있다.

 

우리들이 사는 3차원 공간에서 시간이 흘러가는 것이 아니라

3차원 공간이 그 다음 3차원 공간으로 계속해서 넘어가는 것이다.

 

비록 우리는 3차원까지 밖에 보지 못하고,

시간이라는 4번째 차원을 보지 못하지만, 모든 것은 이미 다 있다.

과거, 현재, 미래 모두.

 

3차원 공간까지 인지할 수 있는 우리는 우주끝까지 3차원 공간이 이미 다~ 펼쳐져 있다는 사실을 상상하는 데는 큰 어려움을 겪지 않는다.

그러나 시간이라는 것이 이미 모두 다 펼쳐져 있다라는 사실은 정말 상상하기 힘들다.

하지만 모든 것은 이미 다 있다.

 

물리학에서는 어떠한 공식도 시간의 흐름을 나타내는 것은 없다.

그저 시공간이라는 거대한 덩어리 속 순간순간만을 나타내는 공식만 존재할 뿐

한 순간에서 그다음 순간으로 시간이 ‘흘러간다’ 라는 것을 나타내는 공식은 존재하지 않는다.

 

우리는 지나온 시간을 과거라고 일컫고,

다가올 시간을 미래라고 일컬으며

현재 또는 지금이라는 말도 사용하지만,

이것은 3차원 이상을 보지 못하는 우리가 계속 변화하는 세상을 해석하기 위해 만들어낸 환상에 불과하다.

 

시간이란

흐르는 것이 아니다.

 

x축의 좌우가 있고, y축의 위 아래가 있듯이 시간이라는 t축에는 앞과 뒤가 있다.

x, y, z 그리고 t!

결국 우리가 말하는 지금이란 시공간에서 하나의 좌표인 것이다.

강남역 여섯시

 

사람은 태어나고 어느 정도의 시간을 살다가 때가 되면 늙어 죽는다.

전자기학의 창시자인 맥스웰은 1831년에 태어나 48년을 살다가 1879에 죽었고

그 해에 태어난 아인슈타인은 76년을 살다가 1955년에 죽었으며

바로 그 해에 태어난 스티브잡스는 56년을 살다가 2011에 죽었다.

 

그러나 우리는 이 2차원 시공간에 놓여진 선을 보고

파란 점이 y=7에서 태어나 3=y를 살다가 y=10에서 죽었다고 하지 않는다.

물론 이 파란 점은 자신의 생일이 y=7이라고 생각할지는 모르지만 말이다.

 

처음으로 시간과 공간의 연관성을 발견한 사람은 아인슈타인이었다.

1905년 아인슈타인은 특수상대성이론을 통해 시간은 절대적인 것이 아니라

움직이는 속도에 따라 변화한다는 것을 발견했고

독일의 수학자 헤르만 민코프스키가 아인슈타인의 이론을 수학적으로 계산해

 

시간과 공간은 서로 분리되어있는 것이 아니라

시간과 공간이 합쳐져 4차원의 시공간을 이룬다는 것을 발견했다.

시간과 공간이 하나의 시공간을 이룬다는 것이 처음으로 밝혀진 대대적인 순간이었다.

 

그리고 이 사실을 이해한 아인슈타인은 일반상대성이론을 발전시킬 수 있었고

드디어 중력의 밝힐 수 있게 되었다.

 

우리는 시간과 공간이 얽히고 설켜 만드는 하나의 시공간을

하나의 면으로 간단하게 표현해 중력을 쉽게 설명할 수 있다.

 

이 푸른 천이 시공간이라고 해보자.

태양과 같이 커다란 질량을 가진 물체는 시공간이라는 천 위에 놓여져 시공간에 곡면을 만들고

질량이 작은 주위 물체들은 왜곡된 시공간의 면을 따라 주위를 뱅뱅 돌며 자연스럽게 떨어진다.

이렇게 왜곡된 시공간의 면을 타고 떨어지는 것을 우리는 중력이라고 부르는 것이다.

 

시간은 선, 면, 공간과 같이 4차원을 구성하는 하나의 차원이라고 했다.

이 4차원 시공간의 면이 이렇게 왜곡되어 버리면 시간에는 무슨 일이 일어날까?

 

얘는 왜 포싹 늙어버렸을까?

쿠퍼와 아멜리아가 탐사하러 간 밀러 행성은

질량이 어마어마한 거대 블랙홀에 근접해있는 행성이었다.

 

이 블랙홀의 크기는 태양의 잘량보다 1억 배 이상 큰 거대한 블랙홀이었는데

이 커다란 질량이 시공간이라는 천을 짓눌러 시공간이 급격하게 늘어져 버렸다.

 

이게 어떻게 시간차를 만든다는 것일까?

먼저 특수상대성이론에서 아인슈타인이 설명한 시간차는 이렇게 만들어진다.

 

움직이지 않는 기차 안에서 양방향으로 발사한 빛을 기차 밖에서 바라보면

빛은 동시에 양쪽 반사대에 도달한다.

 

하지만 기차가 오른쪽 방향으로 빠르게 달리고 있다고 가정할 때

동시에 양쪽으로 발사된 빛은 왼쪽 반사대에 먼저 도달하고

오른쪽 반사대에 늦게 도달하며 시간차를 발생시킨다.

빛의 속도는 우주 어디에서나 항상 일정하기 때문에 나타는 현상이다.

 

그렇다면 커다란 질량의 행성이 시공간을 늘어뜨리면 어떻게 될까?

시공간의 면 위에 지구가 이렇게 올려 있다.

지구의 질량은 시공간을 눌러 시공간에 곡면을 만든다.

빛의 속도는 항상 일정하지만

시공간이 느려져 버려 빛이 A에서 B로 이동할 때 걸리는 시간이

지구가 없을 때 걸렸던 시간보다 더 오래 걸리게 된다.

시간차가 발생하는 것이다.

 

영화속에서 쿠퍼 일행은 밀러 행성 가까이 있는 거대 블랙홀로 인해 시간차가 발생한다는 것을 잘 알고 있었다.

하지만 시간차가 얼마나 생기는지에 대해서는 잘못된 정보를 갖고 있었던 것이다.

 

쿠퍼는 우주선의 시간을 지구의 시간과 같게 유지하기 위해 우주선과 롬을 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳에 두고

밀러 행성을 탐사하러 다녀왔지만, 파도 2번 치는 사이에 롬이 저렇게 폭싹 늙어있을지는 예상하지 못했던 것이다.

 

영화 속 블랙홀은 태양의 질량보다 1억 배 이상 큰 거대한 블랙홀이라는 설정을 하여

시공간의 왜곡이 어머어마 했다.

 

정확한 계산으로는 밀러 행성의 시간이 지구의 시간보다 61,320배 늦게 흐른다는 계산이었다.

밀러행성에서 1시간이 지구에서는 7년,

밀러 행성에서 2초가 지구에서 20시간과 같았다는 말이다.

 

우리는 빛을 통해 세상을 보고 빛은 언제나 같은 속도로 유지한다.

변하는 것은 시공간이다.

이 시간차는 현실에서도 관측할 수 있다.

 

지구 밖에서 지구를 공전하고 있는 인공위성은

지구가 왜곡한 시공간의 곡면에서 조금 더 떨어져 있기 때문에

인공위성에 있는 시계는 지구에 있는 시계보다 더 빠르게 흐른다.

 

아주 미세한 차이지만 지구의 수많은 전자 기기와 연결되어 있는 인공위성은

시간이 조금만 달라져도 큰 문제를 발생시킬 수 있기 때문에

주기적으로 지구에서 인공위성의 시계를 조정해준다.

 

반대로 시공간의 늘어짐이 가장 심한 지구의 중심부는

지구의 표면보다 시간이 느리게 흐른다.

그 결과 지구의 핵부분은 우리가 발을 디디고 있는 지구 표면보다 2.5년이 더 젊다.

 

그리고 지구보다 훨씬 큰 질량을 가진 태양의 심장부는 태양의 겉부분보다 무려 4만년이나 어리다고 한다.

 

이렇게 우주 전면에 걸쳐 시간이 흐르는 속도는 달라진다.

미래에 우주여행이 자유로워지는 날이 오면

우리는 우주에서 약속 시간을 어떻게 정해야 할까?

 

시간이란 환상이다.

1분과학이 항상 1분을 넘어 보이는 것처럼