시간에 대한 과학적인 접근
김민찬
학교 가려고 준비를 할 때도 밥 먹을 때도 수업 중에도 우리가 항상 고려해야 하는 것이 있다. 바로 시간이다. 오늘은 시간이라는 매우 추상적이고 관념적인 것 같은 개념을 과학자들은 어떻게 해석했을지 알아보도록 하자.
먼저 글을 시작하기 전 이 글은 나의 짧은 과학지식을 바탕으로 했으며, 나도 이해하지 못한 채 나열하는 개념들도 꽤 많다는 것을 알린다.
출처: https://www.peoplepower21.org/magazine/1676956시간은 우리 삶에서 빠질 수 없는 개념이다. 그러므로 인간들은 예로부터 다양한 자연환경들을 이용해서 시간을 측정하려고 애를 썼다. 우리나라에서는 해시계가 만들어지기도 하였고, 유럽에서는 8세기 정도부터 모래시계를 사용하였다. 하지만 물리학에서 시간의 개념에 대해 생각한 지는 오래되지 않았다. 시간에 대해 가장 처음 고민한 물리학자는 바로 ‘아이작 뉴턴’이다. 그 사과에 머리를 맞은 뉴턴이 맞냐고 물어본다면 맞다. 바로 그 뉴턴이다. 뉴턴은 시간이란 배경과 같은 존재라고 생각해서 물체하고 상관없이 항상 있는 것이라고 생각했다. 이후에 칸트라는 철학자 또한 시간은 선험적(경험하지 않아도 알 수 있는 것)인 것 중에 우리 마음속에 있는 형식이라고 말했다. 그 또한 시간은 물체와 상관없다고 생각했다. 이러했던 시간의 개념을 완전히 뒤집은 사람이 바로 위대한 물리학자 ‘알버트 아인슈타인’이다.
아인슈타인의 특수상대성이론은 우리에게 시간이 물체마다 다르게 작용한다는 새로운 아이디어를 던져주었다. 특수상대성이론은 우리에게 움직이는 사람의 시간이 더 느리게 가고, 움직이는 사람이 얼마나 빨리 움직이느냐에 따라서 시간과 공간이 달라진다는 것을 증명했다. 실제로 멈춰있는 사람이 움직이는 사람의 시계를 보게 되면 더 느리게 가게 된다. 이는 빛시계 사고 실험을 통해서 쉽게 설명할 수 있다. 거울 두 개를 밑과 위에 각각 하나씩 놓고 빛을 거울사이에 직각으로 반사시키면 빛은 일직선으로 보인다. 이때 한 사람이 그 거울을 잡고 이동하면 잡고 이동하는 사람에게는 여전히 일직선으로 보이겠지만 그를 정지한 상태로 관찰하는 사람 입장에서는 빛이 지그재그로 이동하는 것처럼 보일 것이다. 즉 거리가 늘어나 보이는 것이다. 이때 특수상대성이론은 어느 속도에서나 빛의 속도는 똑같이 보인다고 가정하기 때문에 [거리=속도 ×시간]에서 거리가 늘어나려면 시간이 늘어나야 한다. 즉 같은 순간에 멈춰있는 사람의 시간이 더 많이 가는 것이고 이는 멈춰있는 사람의 시간이 더 느리게 가고 움직이는 사람의 시간이 더 느리게 간다는 것을 의미한다.
출처: https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/52hwzu
시간의 또 다른 특이한 성질 중 하나는 시간에는 과거-현재-미래 순으로 흐르는 한 방향의 길만 있다는 것이다. 이 특이한 성질에 대해 크게 두 가지의 방법으로 설명할 수 있다. 첫 번째는 양자역학의 특징이 있는데, 양자역학은 특징 상 측정 전에는 입자가 있을 수 있는 위치가 모두 가능성으로만 존재하게 된다. 그리고 측정이 된 순간, 단 하나의 가능성이 현실로 구현된다. 이런 양자역학적인 특징을 생각했을 때 이미 일어난 것을 되돌릴 수 없다. 두 번째는 우주가 빅뱅으로부터 시작해서 시공간이 계속해서 팽창하고 있다는 것이다. 팽창한다는 것은 기체 분자가 놓일 수 있는 위치의 수가 얼마나 많은 가에 대해 말하는 ‘엔트로피’와 밀접한 관련이 있다. 우주가 팽창하면 자연스럽게 엔트로피가 상승하게 된다. 그리고 이는 시간의 흐름과 직접적인 관계가 있다. 시간과 엔트로피가 인과관계(원인과 결과 관계)인지 상관관계(둘 사이에 존재하는 규칙)인지는 아직 논란이 있지만 아무튼 이들이 밀접하게 엮여있다는 것은 아직까지 누구도 부정하지 못했다.
시간 하면 떠오르는 또 다른 흥미로운 주제로는 바로 ‘타임머신’이 있다. 타임머신으로 미래를 가는 것은 가능하다. 우리는 항상 미래를 향해서 가고 있다. 다만 ‘타임머신’으로 미래를 가는 것은 나는 1년 살았는데 남들은 10년을 살은 것 같은 상황을 의미한다는 차이가 있다. 우리가 타임머신을 타고 미래로 가는 방법은 매우 간단하다. ‘백투 더퓨처’처럼 자동차를 탈 필요도, ‘엑설런트 어드벤처’처럼 공중전화박스에 들어갈 필요도 없다. 그저 어딘가에 엄청나게 빨리 갔다가 엄청나게 빨리 돌아오면 된다. 속도가 엄청나게 빨라지면 나의 시간만 느리게 가게 되어서 다른 사람의 시간이 10년 이상 흘렀을 때 나는 1년만 흐른 상황을 겪을 수 있다. 하지만 과거로 가는 타임머신은 여러 가지 모순점들이 많다. 대표적으로 ‘할아버지 역설’이 존재한다. 만약 내가 과거로 돌아가서 아기 때의 할아버지를 만났다고 해보자. 할아버지가 내가 낸 차사고로 인해서 돌아가시게 된다고 생각해 보면, 아버지가 세상에 존재할 수 없고, 과거로 시간여행을 한 나조차도 모순적인 존재가 되어버린다. 모순적인 존재를 만들지 않으려면 그곳에서 나는 그 어떤 행동도 하면 안 된다. 말을 할 수도, 숨을 쉴 수도 없고 심지어 그곳에서 나온 빛들이 우리 눈에 도달해도 안된다. 즉 그곳에서 무엇을 볼 수도 말할 수도 움직일 수도 없다는 것이다. 이런 상황에서 과연 우리는 과거를 경험했다고 할 수 있을까?
백투 더 퓨처의 드로리언 DMC-12 https://namu.wiki/w/%EB%93% A4% EB% A1% 9C% EB% A6% AC% EC%95%88%20 DMC-12 시간은 되돌릴 수 없기에 매우 소중한 존재이다. 이런 소중한 ‘시간’을 과학에서는 어떻게 정의하고 있는지 살펴보았다. 필자는 당초 생각하던 것과 다르게 시간은 절대적인 것이 아니라 모두에게 다르게 적용된다는 것을 보고 매우 신기하고 흥미로웠다. 이 기사를 통해서 독자들도 과학의 신비함을 조금이라도 느꼈으면 좋겠다.
