24 크고 빠르면 다르게 보인다

상대론과 통계 물리학의 세계

지난 시간에는 근대 물리의 가장 큰 특징이었던 연속성과 인과론이 맞지 않는 세계에 대한 이야기를 나눴습니다. 이번에는 시간과 공간, 환원주의에 대해 이야기를 나눠보겠습니다.

시간과 공간이 대칭적이고 균일하다는 것은 사실 너무 상식적인 이야기겠죠? 이것을 가정했다는 것에 시비를 건다는 것이 이상했겠죠. 그런데! 여러분이 아직도 천재의 대명사처럼 자주 보는 그 분! 아인슈타인께서 이걸 뒤집으셨습니다. 빛의 속도와 비슷하게 날아가면 시간이 엄청 느려지고, 공간은 엄청 줄어든다는 특수상대성 이론을 먼저 발표합니다. 이것은 우주에서 날아오는 소립자를 통해 실험으로 증명도 되죠. 이어서 중력이 엄청 강할 정도로 별이 크면, 공간이 휘고 시간도 다르게 흐른다는 일반상대성 이론도 발표하십니다. 물론 이것도 별빛의 경로 실험에서 증명되죠.

헉!이지 않습니까? 우리가 사는 세상에서는 너무 당연했는데... 하긴 뭐 전자의 텔레포트는 안 이상했나요. 흐흐. 너무 작거나 너무 크거나 너무 빠르면... 다~ 이상한거네요. 그냥 우리가 사는 정도 세상이면 별 일 없는 거겠죠.

이렇게 방심할 때, 마지막 한방이 남아있으니... 그것이 바로 환원주의를 떠나보내는 바로 통계물리학! 한 때 카오스니 프랙탈이니 유행했었죠? 물론 의미가 많이 변질됬지만요. 여하튼 그 때 물리로 입문한 분들의 로망은 통계물리학이더랬습니다.

엄~청 많은 입자같은 것이, 엄~청 큰 곳에서, 엄~청 서로간에 뭘 주고 받으면... 사실 우리는 아무 것도 예측하지 못합니다. 학교 운동장에 있는 공기만 해도, 1조×1조 개 보다 많은 분자가 있을텐데요. 이걸 어떻게 일일히 따라가며 예측을 합니까. 그래서 대~충 퉁쳐서 어림잡아서 해결하려고 하기도 했습니다만...

나비효과 이야기는 들어보셨죠? 동남아에서 나비가 팔락 거리면, 캘리포니아에 허리케인이 생길 수 있다는. 물론 그럴지 아닐지 알 수 있는 것도 아니죠~ 흐흐 엄청난 일이 약간의 변화에도 일어날 수 있는데, 예상도 못합니다. 이렇게 많은 것들이 서로 주고 받고 하고 있으면. 일기 예보는 원래 완전할 수 없는 거죠. 태풍의 경로는 잘 맞추지도 못하고. 우리가 사는 세상의 일상도 생각보다 잘 못 맞추는 것이죠. 날씨 말고도 많습니다. 오히려 맞추는 것은 정말 잘 통제된 실험 조건 안에서만 입니다. 그럴 때만 환원주의적으로 작은 것을 알아서 큰 것을 알게 될 뿐이라는 것입니다.

원자든 분자든 사람 하나든 알아봐야... 우리가 사는 세상처럼 서로 영향을 마구 주고 받으면 ... 전체는 완전 다른 이야기다! 라는 겁니다. 완전한 제어나 예측이라니... 19세기의 꿈은 어디로 가는걸까요...

이렇게 19세기의 근대 물리는 20세기에 들어 엄청난 역공을 당하고야 말지요. 그럼에도 우리의 일상은 기계적으로 돌아가는데, 왜 그럴까요? 그건 마치 실험실 조건에서는 여전히 맞는 근대 물리 세계와 같은 것은 아닐까요.

다음 시간에 이런 이야기를 하며 이 시리즈를 마무리해보려 합니다.