풀리지않는물리학의최대수수께끼
시간은흐르는가,흐르지않는가
“만약누가나에게묻지않는다면나는알고있다.만약내가설명하려고한다면나는모른다”라는아우구스티누스의말처럼,시간은인류의오랜수수께끼다.시간,그중에서도특히‘지금’은누구나알고있지만,그의미를정확히정의하기란어렵다.‘지금’을가리키는순간,그것은더이상‘지금’이아닌과거가되어버린다.끊임없이흐르고매순간새로생겨나는이덧없는시간때문에괴로워하기는아인슈타인도마찬가지였다.처음으로시간을물리학의영역으로끌어들인아인슈타인은“‘지금’의대한경험은과거와미래와는다른,인간에게매우특별한뭔가를의미”하지만,“이중요한차이가물리학안에서는나타나지도않고,나타날수도없다”는데낙담했다.
‘지금’의의미와짝을이루는시간의또하나의수수께끼는‘시간의흐름’이다.시간은계속해서움직이고흘러가는데,이는‘지금’의의미가계속해서변한다는사실로보아명백하다.그렇다면시간의흐름이란곧‘지금’의움직임인가,아니면시간이‘지금’을거쳐서흘러가는것인가,혹은새로운시간이매순간생겨나는것이‘지금’인가?시간이멈추거나혹은느려지거나빨라지거나혹은불규칙하게흐른다면우리는그변화를알아챌수있는가?왜시간은뒤가아니라앞으로만흐르는가?
현대실험물리학자가말하는
‘지금’이란무엇이고,시간은왜흐르는가?
이러한현기증나는질문들은아우구스티누스에서아인슈타인에이르기까지수많은철학자,성직자,현대물리학자들을괴롭혔다.일부물리학자들은‘지금’의의미와시간의흐름을이해하려는시도를포기하고,그것을전혀포함하지않는‘시공간다이어그램’에만족했으며,물리학은‘시간과관계없이’‘시간을초월한’실재의법칙을다루어야하며,시간의흐름이란의식이만들어낸허상,환영에불과하다고외면했다.
하지만저명한실험물리학자인리처드뮬러는여기에이의를제기한다.‘지금’은누구나지각할수있는실재하는현상이며,물리학은측정가능하지않다고해서그것의실재성을부정해서는안되고설명해야한다고주장한다.그리고그는20세기물리학이이루어낸위대한진보들에힘입어비로소‘지금’을이해할수있는희망이생겼다고말한다.
“‘지금’을이해하는데에는상대성이론,엔트로피,양자물리학,반물질,시간여행,얽힘,빅뱅,암흑에너지에대한지식이필요하다.비로소지금에이르러서야우리는‘지금’을이해하는데필요한모든물리학지식을손에넣었다.”
뮬러는상대성이론에서열역학,빅뱅이론에서양자물리학까지현대물리학의주요성취들을되짚으며‘지금’이라는시간의퍼즐을하나하나맞춰간다.그과정에서엔트로피와물리주의같은잘못맞춰진퍼즐조각들을빼낸후,마침내‘4차원빅뱅’이라는검증가능한독자적인설명을제시한다.
뮬러는실험을통해시간의처음과끝을연구한바있다.그는빅뱅후50만년경아기우주가방출한우주마이크로파배경복사를관측함으로써‘시간의처음’을측정했고(이프로젝트를계속추진한조지스무트는2006년노벨물리학상을받았다),초신성관측을통해우주의가속팽창을발견함으로써‘시간의끝’(빅크런치)은없을것임을밝혔다(이연구를이어받은제자솔펄머터는2011년노벨물리학상을받았다).
이책은이론가가아닌실험물리학자가시간에대해본격적으로논한최초의책으로서,현대물리학이시간에대해무엇을알고무엇을모르는지를상세히설명한다.뮬러는물리학이우리의직관에어긋나는시간의이상한성질들에대해많은것을알아냈음에도,여전히시간이무엇이며실재와어떤관련이있는지에대해모르는것이많음을솔직히인정하고,‘지금’을인간의자유의지가행사될수있는유일한순간으로규정함으로써물리학뿐아니라철학에도중요한함의를가지는주장을펼친다.
아인슈타인,물리학에실험가능한시간을선물하다
아인슈타인은이제까지당연시되었던시간을생각하는방식에근본적인의문을던짐으로써물리학에시간을선물했다.아인슈타인의상대성이론은우리가어떤좌표계를기준으로삼느냐에따라시간이달라진다는것,중력과속도에의해시간이늘어나고길이가줄어들고사건의순서가역전되기도한다는것을처음으로알려주었다.
상대성이론은단순히추상적인이론이아니라저자와같은실험물리학자에게는일상적으로접하는실재하는현상이다.저자는‘파이온’이나‘뮤온’같은방사성입자들을광속의0.9999988배로가속해양성자와충돌시키면정지상태의입자보다반감기가637배나길어지는것을측정했는데,이는상대성이론이예측한값과정확히일치했다(파이온의반감기는26나노초로사람에게는극히짧은시간이지만,아이폰에게는36번의기초연산을할수있는시간이다).빠르게움직이는물체에서시간이더느리게흐른다는것은우리가흔하게이용하는GPS에서도확인된다.초속3.86킬로미터로궤도를도는GPS위성은‘시간지연’효과로하루에7,200나노초씩느려진다.상대성이론의계산을통해보정해주지않으면하루2.25킬로미터씩잘못된위치정보를주게된다.
상대성이론은두사건이하나의좌표계에서는동시에일어나는듯보여도,다른좌표계에서는동시가아닐수있다는등의‘역설’로많은사람들을어리둥절하게만들었다.그러한역설가운데하나인‘타키온살인’을간단히살펴보자.
메리가빛보다빠른가상의입자‘타키온’을총으로쏘아존을살해한다.메리는지구좌표계가아닌광속이절반인좌표계에서재판을받겠다고신청한다(빛보다느린좌표계는상대성이론에모순되지않는다).지구좌표계에서두사건의시간간격은양의값을갖지만,광속이절반인좌표계에서는음의값을갖는다.음의값이란곧두사건의순서가역전됨을의미한다.즉지구좌표계에서는메리가총을쏜다음존의죽음이일어나지만,광속이절반인좌표계에서는발사보다심장을꿰뚫리는게먼저일어난다.메리가총을쏘기도전에존은이미죽었으므로메리는무죄가된다.
타키온살인역설에대한한가지설명은이러한물리학이지배하는세계에서는자유의지는없고모든것은결정되어있다는것이다.존이죽는것,메리가총을쏘는것은순서와상관없이모두일어나는것이불가피한사건들이며,따라서둘은그렇게하는것외에다른선택이없다는것이다.그러나뮬러는다행히도타키온과같은입자는아직발견되지않았으며,이러한사실이자유의지가존재한다는것을반증가증하게해준다고강조한다.
엔트로피로는‘시간의흐름’을설명할수없다
‘무엇이시간을흐르게하는가?’‘왜시간은과거에서미래로만흐르고,그역은불가능한가?’이물음에대해현재물리학이가지고있는유일한대답은엔트로피가증가하기때문이라는것이다.다른물리학에는시간의방향을지시하는것이아무것도없다.입자나천체의운동영상을바로틀든,거꾸로틀든우리는차이를느낄수없다.하지만찻잔이나달걀이부서지는영상을거꾸로튼다면우리는그와같은일은있을법하지않다는것을바로안다.우주의무질서도는시간의흐름에따라증가할뿐이다.오직‘열역학제2법칙’만이증가라는한가지방향을가리킨다.따라서두순간중어느것이먼저인가를알아내는방법은간단하다.‘둘의엔트로피를측정하라.더적은쪽이먼저다.’이에힘입어1920년대에아서에딩턴은엔트로피의증가가시간의방향을결정한다는‘시간의화살’이론을주장했다.
하지만엔트로피에의한시간설명은우리우주가고도로조직화되어있다는사실을가리킬뿐이다.우리우주의온도는균일하지않고,모든물질은거대한빈공간에둘러싸여고도로밀집되어있다.그리하여열이흐르고물질이부서져텅빈공간으로흩어질확률,엔트로피가증가할확률,좀더무질서해질확률이높은것이다.만일우주가무한히오래되었고엔트로피가증가할무한한시간이있었다면,이미엔트로피는최대치에이르렀을지모른다.
허블과르메트르의빅뱅이론은우리우주가그토록잘조직화된이유가상대적으로어리기때문이라고설명했다.불과(?)140억년전에폭발이일어났고,그때팽창한것은물질이아니라공간자체였으며,지금도팽창이계속되고있다.엔트로피는증가하지만공간이계속팽창하기에우주는최대엔트로피상태에도달하지않을수있다.이후과학자들이폭발의잔여물인우주마이크로파배경복사를관측함으로써빅뱅은이론이아닌증명된사실이되었다.뮬러가직접기획한연구들은우주마이크로파배경복사의비등방성을보여주었고,우주공간을가득채우고있는암흑에너지에힘입어우주의팽창이가속되고있다는놀라운사실도알아냈다.이제빅크런치는없을것이며,우주는영원히팽창할것이고,시간역시계속될것임을우리는안다.
그렇다면에딩턴의‘시간의화살’은옳았는가?뮬러는에딩턴의이론이이제까지한번도실험으로검증되지않았고,어떠한예측도제시하지않았다고말한다.예측하지않기에반증될수없는이론을보통‘사이비이론’이라고부른다.사실,열역학제2법칙은과학법칙이라기보다는,확률이높은사건은낮은사건보다더잘일어난다는동어반복에불과하다.엔트로피의증가와시간의흐름은상관관계가있을뿐인과관계는없다.우주의엔트로피는국소적으로감소하기도하는데,그때시간의흐름이느려지는가?
최근발견된‘힉스메커니즘’도에딩턴의이론을반박한다.이설명에따르면,초기우주의모든입자는질량이없었다(이후우주가진화하면서힉스메커니즘에의해질량을획득한다).따라서우주가팽창하더라도엔트로피는증가하지않는다.만일엔트로피의증가가시간의화살을결정한다면,초기우주는시간의화살을쏘지못한채영원히멈추어야했을것이다.하지만시간은흘렀고,우주는팽창했으며,입자들은질량을가지게되었다.그렇다면엔트로피의증가가시간의방향을결정하는것이아니라사실은정반대,시간의흐름이엔트로피를증가(국소적으로감소)시키는것이아닐까?
양자물리학과불확정성
뮬러는시간의흐름을설명하는더나은이론적대안으로서‘양자화살’과‘우주론적화살’을든다.양자화살이란곧20세기물리학에혁명을가져온양자물리학의시간설명이다.
양자물리학은실제세계가‘파동함수’라는유령과도같고,빛보다빠르게붕괴하며,원리상정확히측정할수없고,그저확률만을예측할수있는어떤것에의해기술된다고여긴다.매우신비롭게들리지만,양자이론은우리가사용하는스마트폰과컴퓨터의설계에도응용되고,예측값과관측값이소수점열째자리까지일치하는이제까지알려진물리학이론중가장성공적인이론이다.
오늘날양자물리학의기본관점인‘코펜하겐해석’에따르면,한입자의위치측정은순간적으로수광년떨어져있는다른입자의진폭에영향을미친다.따라서우리는입자의미래위치를정확하게예측할수없다.아인슈타인은이러한‘유령같은원격작용’을불합리하다고여기고‘숨은변수’를도입해이를설명하려고했다.하지만1972년스튜어트프리드먼과존클라우저가칼슘원자에서방출된광자의편광을측정한기념비적인실험결과를발표했다.애초에이들은코펜하겐해석이틀렸고숨은변수가존재함을증명하고자했다.그러나결과는정반대였다.‘유령같은원격작용’은실재했고,이인슈타인이틀렸다!멀리떨어진두입자가동일한파동함수를공유하고,하나의입자를탐지하는것이다른입자에즉각영향을미치는이‘양자얽힘’현상은양자물리학의불확정성원리를확인해준다.양자물리학은물리학이불완전하고,과거가미래를완전히결정하지는않음을인정한다.
한편,상대성이론과양자물리학을통합하려고시도했던폴디랙은진공이사실은텅빈것이아니라음의질량을가진‘음-에너지의전자들’로가득차있다고예측했다.놀랍게도디랙이‘반전자’라고부른이반물질은1932년칼앤더슨의실험에서발견되었고,‘양전자’라고명명되었다(양전자는오늘날PET같은의료기기에도이용된다).하지만파인만은디랙방정식의음의부호를음-에너지가아니라양의에너지와음의시간의결합으로볼것을제안했다.양전자는사실시간을거슬러움직이는전자라는것이다.이러한전자의‘시간역행이동’은아직이론일뿐이지만(호킹은이것이미시세계에서만가능하고인간이속한거시세계에서는불가능하다고믿었다),시간여행과인과성,자유의지에대한우리의생각을자극한다.
스티븐호킹《시간의역사》를잇는
독창적이며검증가능한시간에대한4D빅뱅이론
뮬러는시간에관한물리학의여러이론을살펴본후,‘우주론적화살’이라는자기만의이론을제시한다.빅뱅은4차원시공간의폭발이었다.즉빅뱅이일어났을때공간뿐아니라시간도생겨났다.우주가계속팽창하면서새로운공간을만들어내듯이새로운시간역시만들어낸다.팽창하는시간의최전선,끝모서리가바로우리가‘지금’이라부르는순간이며,끊임없이생성되는새로운‘지금들’이시간의흐름을구성한다.시간의화살은우주의엔트로피에의해서가아니라빅뱅그자체에의해서설정된다.
에딩턴과달리,뮬러는자신의이론을검증할수있는방법도제시한다.우주의팽창이가속되고있다는사실은시간역시가속되고있음을의미한다.오늘의시계가어제의시계보다빨리간다는‘우주론적시간가속’을어떻게탐지하고측정할수있을까?
첫째,멀리있는은하가보이는적색이동은공간의팽창때문이기도하지만시간의지연효과때문이기도하다.거리의변화율을정확히측정한다면,적색이동중어느정도가우주론적시간지연에의한것인지를알수있을것이다.
둘째,인플레이션이론은빅뱅의순간우주가빛의속도보다빠르게급팽창했다고주장한다.그렇다면그순간시간역시급팽창했을것이다.빅뱅이후최초의100만분의1초에방출된중력파와배경복사의편광분포를관측한다면시간의인플레이션을확인할수있을것이다.
셋째,‘4차원빅뱅이론’에따르면두개의블랙홀이충돌해붕괴할때국소적으로새로운시간이생겨나야하고,충격파의뒷부분에서시간지연이관측되어야한다.2016년라이고(LIGO,레이저간섭계중력파관측소)가관측한한개의중력파로는이론을검증하기에정확도가떨어지지만,이러한신호가앞으로더많이,더강하게탐지된다면뮬러의혁신적인이론은확증되거나반증될것이다.
물리학은자유의지의가능성을배제하지않는다
이제까지물리학은‘지금’도,시간의흐름도없는,시간의변화량만이존재하는시공간다이어그램에만족했다.심지어그것들을실재의이해에아무런도움이되지않는의미없는개념,환상으로해석하기까지했다.“측정할수없는것,수량화할수없는것은존재하지않는다”는믿음을‘물리주의’라고한다.뮬러는과학이물리주의라는도그마에빠질때종교가될수있다고경고한다.
아인슈타인을비롯한일부과학자들은물리학이완전해야한다고믿었고,과거가미래를완전히결정할수있고그래야만한다고가정했다(연장선상에서물리주의자들은자유의지를부정했다).하지만물리학은완전하지않다.양자물리학이알려주듯이,물리학은정확한예측을할수없고오직확률을추정할수있을뿐이다.물리학이기본도구로삼는수학도괴델에의해그불완전성이증명되었다.가무리수라는증명이나색지각경험(‘내가보는파란색이당신이보는파란색과같은가?’)처럼물리적측정으로는얻을수없는많은‘비물리적지식들’이엄연히존재한다.
현대물리학은과거가완전히미래를결정한다는가정을지지하지않으며,자유의지의가능성을결코배제하지않는다(타키온같은입자가발견된다면자유의지는반증될것이다).자유의지란물리적지식뿐아니라비물리적지식(윤리,덕,정의,공감등)을이용하여가능한미래중하나를선택하는능력이다.‘지금’이우리에게특별한것은우리가미래에영향을미치고바꿀수있는유일한순간,엔트로피의방향을틀어국소적으로감소시킬수있는유일한순간이기때문이다.이국소적감소가모든생명과문명의원천이다.우리는우주의엔트로피증가를멈출수는없지만,엔트로피에방향을부여하고통제할수는있다.우리는찻잔을부술수도만들수도,전쟁을시작할수도평화를찾을수도,문명을번성하게할수도쇠퇴하게만들수도있다.
추천사
《타임》
“공유될필요가있는너무나놀라운생각……뮬러는그럴듯할뿐아니라(방정식들로가득한책치고는놀랍게도)스포일러하고싶지않은이론을제시한다.”
《사이언스》
“이책의강점은어려운개념들을간단하게설명하는뮬러의강사이자교사로서의경험에있다.물리학의정수를간결하게이해시켜주는마스터클래스.”
《북리스트》
“이책과보낸시간은시간자체에대한독자의이해를바꿔놓을것이다……과학의첨단으로그리고그너머로향하는생각을확장시키는모험.
《인디펜던트》
“늦은밤생각할거리를주는의식을확장하는종류의책.시간이라는주제에대한저자의열정이페이지마다빛난다.”
티모시페리스(과학작가)
“과학은시간이라는알수없는수수께끼를풀수있을까?뮬러는가능하다고생각하며,자연이시간의흐름을어떻게생성하는지에관한명료하고환기적이고광범위한조사를통해입증한다.”
리스몰린(이론물리학자)
“시간의기본성질에관한도발적이고잘논증된책.시간에관한가장중요한실험들가운데일부를개척했던실험물리학자인뮬러는과학의한계가어디인지잘알며,그경계가까이에서그가해온연구능력으로우리의관심을사로잡는다.”
솔펄머터(노벨물리학상수상자)
“뮬러는시간의분석에대단히신선하고흥미로운접근법을취한다.예의그명료함과위트로,확고히정립된원리들(각각의이야기들도그자체로매력적이다)에서출발해시간의흐름과‘지금’의의미에이르러서새로운길을연다.논쟁이예상된다.”
닐디그래스타이슨(천체물리학자)
“리처드뮬러는최고의물리학자이지만언제나지적으로안주하지않는다.바로이것이우리자신에대한그리고우리와우주의관계에대한혁신적인아이디어를낳는힘과어우러져강력과조합을이룬다.이책에서뮬러는시간자체가어떻게창조되고소멸되는지에관한가설을제시한다.그것은맞을수도있고,틀릴수도있다.하지만그과정에서그는우리에게시간이무엇이며,우리가왜,어떻게지금과같은방식으로시간을지각하는지에관한대가다운설명을제공한다.”
아마존
“놀랄준비가되었는가?시간과상대성이론이라는주제는그저이론에불과한것처럼들린다.이책을읽고GPS위성이끊임없이시간지연을메워야한다는사실을깨닫기전까지는(그러지않으면GPS는우리에게1.5마일가량부정확한위치를전송할것이다).뮬러의물리학에대한열정은독자를시공간,엔트로피,휘어진공간,광속허점,그자신은별로탐탁지않아하는끈이론같은복잡한생각들로이끈다.《캘빈과홉스》같은만화,〈터미네이터〉같은영화자료가‘엔트로피=klogW’같은방정식들과(그러나독자를두렵게만들지는않으며)나란히제시된다.최고의논픽션책들은우리의지식을넓혀주지만,이책은소위실재에대해우리가실제로어떻게생각하는지를확장함으로써한단계더멀리데려간다.뮬러의물리학에대한애정은이학문과무관하고자하는이들조차매료시킬것이며,더욱매력적인것은우주의작동방식에대해우리가현재알고있는정도에대한그의겸손이다.“나는발견해야할중요한것들이아직남아있다는추론에우리가기뻐하리라생각한다.”이책에서독자는생각을넓혀주고다음에있을놀라운발견에대비할많은것을발견할것이다.”
