[시간은 흐르지 않는다] 도대체 '시간'이란 무엇일까? feat. 아인슈타인 상대성 이론, 엔트로피

최근 계속 부자에 대한 책만 읽고 있는 것 같아서 장바구니를 보다가 <시간은 흐르지 않는다> 제목이 마음에 들어서 골랐다.  제목에서 알 수 있듯이 '시간'에 대한 이야기인데 <아인슈타인의 전쟁>을 통해 배운 것을 복습도 할 겸 시간이라는 흥미로운 주제에 대해서도 공부할 겸 읽기 시작했다. 간단할 것이라고 기대하지는 않았지만, 시간에 대해 암암리에 교육된, 익숙해진 또는 편견을 가진 것이 많다는 것을 알게 되어 <시간은 흐르지 않는다>를 읽는 내내 약간씩 혼란스러웠다. 유튜브 과학 쿠키님의 <대체 시간의 실체는 무엇일까?> 영상을 참고하여 작성했고 나름대로 재해석하여 내 스스로가 이해하는 것에 집중하였다.

 

시간은 흐르지 않는다

 

시간은 유일하다?

먼저 내가 알고 있는 시간은 유일한 의미를 가진 다른 영향을 받지 않는 것으로 과거에서 현재를 거쳐 미래를 향해 가고 있다. 이 말인 즉슨 시간을 설명할 다른 것이 존재하지 않는다. 시간은 시간인 것이다. 돈이 많거나, 미국에 살거나, 날씨가 덥다고 시간이 안 가는 것은 아니다. 시간은 일정한 속도로 그냥 가고 있다. 시간은 30분 전에 노트북을 켜고, 글을 쓰고 있는 현재를 지나 1시간 뒤 글을 다 쓸 때까지 흐른다. 

하지만 <시간은 흐르지 않는다>에서는 우리가 흔히 알고 있는 시간에 대한 개념이 틀렸음을 설명한다. 먼저 시간은 아인슈타인의 상대성 이론으로 유일한 가치가 아니라는 것이다. 서로에 대해 상대적으로 변하는 시간들이 존재하는 것이다. 시간이 하나가 아니라 여러개라는 말이 무슨 말인가? <시간은 흐르지 않는다>에서 언급한 예를 들어 보겠다. 높은 곳에서의 시간이 낮은 곳에서의 시간보다 더 빠르게 흐른다. 이게 무슨 말인가? 벽에 걸어둔 시계의 시간과 방바닥에 있는 시계의 시간은 똑같은 시계라고 해도 우리가 인지할 수 없을 정도로 미세한 차이지만 벽에 걸려 있는 시계의 시간이 좀 더 빠르다. 우리의 경험으로는 이해하기 어렵겠지만 이는 이미 원자시계로 측정하여 증명된 사실이다. 그럼 왜 차이가 날까? 일반 상대성이론을 연구한 천재 물리학자 아인슈타인에 의해서 각 물체가 가진 중력 때문이라는데 여기서 이 이야기까지 하면 너무 길어지니 일반 상대성 이론에 대한 것은 설명을 잘하고 있는 과학쿠키님의 유튜브 영상을 하나 보도록 하자.

아인슈타인의 일반 상대성 이론 @과학쿠키

 

시간은 방향성이 있다?

시간은 상대적 중력으로 유일한 절대 가치가 아니다라고 이해를 했다. 하지만 문제는 방향성이다. 시간은 과거에서 현재 그리고 미래로 가는 방향성은 틀림없어 보인다. 미래에서 과거로 가는 것은 타임머신이 있어야 하는 것 아닌가?

시간은 끝부분이 서로 다른 화살표이다. <시간은 흐르지 않는다> ebook 11%

방향성을 설명하려면 '열'에 대해서 알아야 한다. 루돌프 클라우지우스 교수는 "열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 이동할 수 없다."고 했다. 이 말은 '열은 한번 이동하면 다시 원래의 자리로 되돌아 갈 수 없다.'는 것을 의미한다. 즉, 시간은 열이 있는 곳에서만 위 사진과 같은 방향성을 지닌 화살표가 형성된다. 이것은 또 무슨 말인가 싶을 텐데 <시간은 흐르지 않는다>에 수록된 알기 쉬운 예를 함께 보자.

무슨 과학시간도 아니고...ㅠㅜ

그림 1처럼 평평한 지면 위에 노란색 공이 빨간색 방향으로 굴러 가는 영상이 있다고 하자. A지점 화면에 공이 등장해서 B지점 화면 밖으로 공이 나갈 때까지 공의 속도가 일정하다면 보는 사람은 이 영상이 정방향으로 재생이 된 것인지 역방향으로 재생이 된 것인지 알 길이 없다. 만약 노란색 공이 A지점에서 B지점으로 가다가 C지점에서 멈춘다면 어떻게 해석할 수 있을까? 이 영상은 정방향으로 재생된 것을 알 수 있다. 왜냐하면 마찰력에 의해서 공이 멈쳤으니, 이 영상을 역으로 재생하면 가만히 있던 공이 갑자기 혼자 굴러서 A지점으로 가기 때문이다. 마찰력은 열을 생성한다. 공이 굴러 마찰력이라는 열을 생성했고, 그 열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 가는 방향성이 있기 때문에 시간도 이에 따라 방향성이 생긴다. 우리가 사는 세상에는 마찰력 같은 열이 항상 있기 때문에 시간의 방향성이 항상 있는 것이다. 

열과 시간이 뭔가 관련이 있어보인다. 움직임이라는 것은 분자들이 움직인다는 것이고, 분자들이 움직인다는 것은 열이 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 가는 이유가 된다. 여기서 열의 흐름을 좀 더 설명하기 위해 '엔트로피'를 알아야 하는데 쉽게 말해 분자들의 요동으로 점점 무질서한 상태로 가는 것을 의미한다. 무질서 할수록 엔트로피가 높다고 하고, 질서 정연 할수록 엔트로피가 낮은 상태라고 한다. '점점 무질서한 상태로'라는 말에는 처음에는 제법 질서가 있는 상태 즉, 엔트로피가 낮은 상태에서 높은 상태의 방향성이 있다. 이 방향성은 아이의 장난감을 비유해서 설명해 보겠다.

 

그냥 책에 있는 카드설명을 쓸 껄 그랬나?ㅠㅜ

 

아이가 어느날 자기 방에서 장난감을 인형과 자동차 종류를 구분해서 정리했다. 장난감 종류라는 기준으로 보면 질서 정연하다고 볼 수 있다.(그림 2) 그런데 자동차 종류를 살펴보니 슈퍼카부터 트럭까지 다양한 자동차가 아무렇게나 모여있다. 이것은 질서 정연한 것일까?(그림 3) 오후에 아이가 놀면서 인형과 자동차 구분없이 장난감을 다 섞어 놨다. 이제는 질서 정연할까? 하지만 이 장난감들이 하나의 장난감 통에 들어가 있다면 질서 정연한 것이 아닐까?(그림 4) 저녁 먹고 아이는 장난감 통을 엎어서 모든 장난감을 아이 방에 어질러 놨다. 질서 정연하지 않다고 할 것 같은데 집 전체 또는 아파트 전체 또는 우리나라 전체로 봤을 때 아이 방에만 있는 장난감은 질서 정연하다고 할 수 있지 않을까?(그림 5)

그림 2부터 그림 5에 이르기까지 어떤 기준에 의해서 우리는 질서 정연한지 여부를 결정했다. 엔트로피를 좀 더 연구한 볼츠만에 따르면 '엔트로피가 존재하는 이유는 우리가 세상을 희미하게 설명하기 때문'이라고 주장했다. 우리가 인형인지 자동차인지, 장난감이 공간적으로 장난감 통, 아이 방 또는 우리나라에 있는지 여부 등으로 장난감이라는 대상을 희미하게 본 것이다. 대상을 의미하게 봤다는 말은 장난감 전체를 보느라 각 장난감이 가진 다양한 구성들을 구별하지 못한 것이다. 만약 우리가 장난감을 원자나 분자보다도 작은 양자 역학 그 이상으로 정밀하게 분석할 수 있다면 엔트로피의 흐름 자체가 존재하지 않을 수 있다는 것이다. 엔트로피의 흐름이 없다는 것은 과거에서 미래로 가는 흐름이 없어지기 때문에 원인과 결과 관계가 아닌 서로 다른 시간에서의 사건들을 연결하는 대칭적인 관계가 있다는 말이다. 

 

@Unsplash Noor Younis

 

현재(지금)는 존재할까? 

아인슈타인의 상대성 이론으로 시간이 속도 때문에 늦춰진다는 것을 알았다. 하지만 이 움직임의 영향은 아주 미약하다고 한다. 확인 가능할 정도의 결과를 보려면 제트기 수준으로 움직임이 엄청 빨라야 한다. 어쨌든 이론적으로는 영향을 받는다고 하니 시간이라고 하는 것은 인접해 있는 물질의 질량과 이동하는 속도에 영향을 받을 수 있다.

지구와 4광년 떨어진 프록시마 b라는 행성을 관찰할 수 있다고 하자. 프록시마 b에 있는 사람이 '지금' 뭐하는지 궁금해서 망원경을 봤을 때 우리는 '지금' 어떤 일을 하는 것을 본 것이 아니라 4년 전에 한 일을 보고 있는 것이다. 빛이 오는데 4년이 걸리는 거리에 있으니 말이다. 실제 우리 삶도 그렇다. "지금 뭐해?"라는 말이 끝남과 동시에 대답을 했다고 하더라도 미세하게나마 과거에 하고 있던 일을 이야기하는 것이다. 그런 의미에서 절대 "지금"하고 있는 일을 말할 수 없다.

그럼 과거와 미래 사이에 현재가 없다는 말인데 그 사이에는 무엇이 있을까? 과거도 미래도 아닌 시간의 간격이 존재한다. 왜냐하면 우주의 관점에서 지구의 '지금'과 화성은 15분 프록시마 b는 8년, 안드로메다 은하는 수백만 년 차이가 난다고 한다. 이 간격은 현재의 확장이다. 서로 다른 곳에 있는데 공간적으로 같은 높이나 시간적으로 같은 순간이 존재할 수 없다.

우주의 현재는 아무 의미가 없다. <시간은 흐르지 않는다> ebook 19%

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쉽지 않은 책이다. 앞으로 읽을 것들이 더 있지만 최소한 이것만큼은 알고 싶어서 유튜브도 찾아보고, 책도 여러 번 읽으면서 이해하려고 노력한 과정을 글로 남겨 보았다. 생각을 글로 남기는 것도 쉽지 않은데 과학적인 내용을 다루려니 정말 쉽지 않았다. 이렇게나마 정리할 수 있게 양질의 영상을 만들어 주신 유튜버 과학 쿠키님께 감사드리고 구독으로 보답했다.

시간이 이렇다고 해서 혼란스러워할 필요는 없다. 우리가 평생 지구에서 산다면 책에서 말하는 시간의 다양성과 방향성 등을 '경험'할 일은 없을 테니 말이다. 그냥 우리는 매 순간 열심히 후회 없이 살면 된다. 이렇게 결론 내릴 것이면 뭐하러 이렇게 했나 싶다.

한줄평

인터스텔라를 이제는 100% 이해하려나 싶다