시간의 역사(Brief History of Time)
시간은 우리에게 행동의 인과를 가져다 준다. 시간은 관찰자이다.
스티븐 호킹의 시간의 역사는 시간에 대한 이야기는 아니다. 시간의 흐름에 따라 변해온 여러 물리학적 사건들과 과학의 현 주소와 위치 그리고 최종적으로 남겨놓은 숙제에 대한 이야기다.
1) 이책을 읽기 위해서는 기본적인 지식이 필요하다.
- 우선 뉴튼의 고전역학의 원리와 흐름 그리고 변천에 대한 일반 지식.
- 아인슈타인의 상대성이론의 발생과, 상대성이론이 설명하는 물리현상에 대한 지식.
- 위 거시세계에 대한 물리적 해석의 차이와 그 이유에 대한 지식.
- 거시 세계에서 완벽한 이론인 상대성 이론이 왜 미시세계에서는 적용되지 않는가?
- 양자역학이란 무엇이고, 양자는 무엇인가?
- 보이지 않는 미시세계를 규명하기 위한 입자가속기 및 입자 충돌의 원리.
- 우주에 대한 고대 철학자들의 사고와 이후 종교철학 및 과학 이후의 우주에 대한 생각.
- 수학적 세계의 우주의 형태에 대한 고찰.
- 스티븐 호킹이 말하는 양자중력의 배경과 형성과정.
- 아인슈타인의 통일장이론과 현재 초끈이론의 개념.
- 물리학에서 시간의 절대성과 시간의 상대성 그리고 양자세계에서의 시간의 의미.
- 블랙홀의 생성과 우주의 기원에 대한 이야기.
위의 내용에 대한 개괄적 내용을 숙지하고 읽어도, 과연 내가 이것을 이해한 것인지 아니면 단지 활자만을 이해한 것인지 구분이 안간다. 그래도 책을 끝까지 읽었고 이에 대해 나름대로 정리해서 써보고자 한다. 참고로 물리학은 내가 모르는 분야다. 오로지 이책을 위해 사전 공부를 일주일 정도 고전역학과 아인슈타인 그리고 이후의 양자역학에서 끈이론까지, 이에대한 유튜브와 팟캐스트를 들었다. 물론 그 짧은 기간에 이것을 이해하고 책을 읽고 후기를 적는다는 건 어쩌면 도를 넘어선 행동일 수 있다. 그럼에도 나는 지금 부터 위에 내용을 나의 이해대로 설명하고 적용하여 후기를 작성한다.
2) 책의 후기
- 스티븐 호킹은 그래도 쉽게 설명한다고 한 것이 평범한 인간의 범주를 아득히 넘은 것 같다. 이것은 교양 서적이라고 하기 보다는 현대 과학 입문서 같이 느껴진다. 책은 우선 고대 철학자들이 우주와 지구를 어떤 관점으로 보고 있는지, 그리고 그들이 본질에 대해 이해하기 위한 조건과 바탕에 대해서 이야기 한다. 그리고 그들이 경험에서 얻어진 지구와 우주의 본질에 대해서 이야기를 하면서, 작은 에피소드를 통해 당시의 지식인들과 철학자들이 알고 있는 본질과 그 원인과 결과를 이야기 한다.
아리스토 텔레스와 프톨레마이오스의 우주 - 지구를 중심으로 천체가 회전한다고 생각함. 그리고 당시 종교와 결합해서 지구를 중심으로 인간과 신의 세계 그리고 지옥을 천체의 형태로 표현. 결국 종교의 일방적 믿음과 관측의 한계로 인하여, 우주와 세계는 종교의 창조설을 기반으로 한 신이 창조한 세계를 모든 것의 기준으로 생각했다. 세상의 모든것은 신이 창조한 지구를 중심으로 움직인다는 생각으로 발생한 지동설은 약 15세기동안 진리로서 받아 들어져 왔다. 그 결과 지동설(즉, 지구를 중심으로 한 천체의 운동)은 가진 논리의 빈약함에도 신과 인간이라는 우월성의 증명의 산물로서 절대불가침의 영역으로 존재해온 것이다. 이런 종교 중심의 사고는 인간의 호기심과 영역의 한계를 규정하였고, 모든 과학적 논리나 이론은 신의 창조와 신의 의지를 매개로 해서 규명되거나 적용되어왔다.
코페르니쿠스의 등장과 갈릴레이 - 우리는 가끔 답답할때 또는 뭔가 획기적이거나 새로운 이슈와 이벤트가 필요하거나 발생했을때를, 코페르니쿠스적 사고가 필요하다거나 또는 코페르니쿠스적 발상의 결과라고 한다. 즉, 코페르니쿠스적 이라는 것은 기존의 관습과 형태에 얽매이지 않는 자유로운 사고와 물리적 행동의 과정이나 결과로서 얻어지는 값을 이야기 할 수있다. 과거 15세기에 태어난 코페르니쿠스는 지독히 종교중심적인 사회에서 당연히 지구는 모든것의 중심이고 하나님의 창조물인 인간은 모든 만물의 중심으로서, 물리적으로 또는 이념적으로 사회나 현상의 중심에 있음이 당연한 사회였다. 그래서 모든 것은 하나님의 창조물인 인간과 그 인간이 살고 있는 지구를 중심으로 돌고 지구는 그 하나님의 창조물들의 중심으로 존재하여야만 하는 시기였다. 그 시기에 그러한 고정된 사고의 틀을 깬것이 코페르니쿠스이다. 과거 그리스시대 이후의 철학이나 과학은 종교의 힘에 의해 지배되어 있었다. 그래서 사물의 운동은 당연히 종교적 관점에서 고찰되고 규명되었으며, 이는 당연히 창조물인 여러 생명체중 인간만이 선택된 종이라고 여겨왔다. 그래서 당연히 고찰된 여러 다른 결과와 현상에도 불구하고 프톨레마이우스의 지동설을 중심으로 한 우주론은 신성불가침 지역이었다. 그러나 코페르니쿠스는 지구를 중심으로한 원운동과 각 천체들의 운동을 정상적인 물리적 활동으로 보았을때, 해결되지 않는 몇가지의 난제를 발견 할 수 있었다. 그리고 우선 창조론의 입장에서도 신이 전지전능한 능력으로 천동설을 만들었다면, 이는 너무나도 복잡한 천체의 운동을 만들었다는 것이다. 천동설을 가정할 경우 현재 태양과 지구 달 화성등의 태양계의 움직임에 대해서, 기본적인 지구를 중심으로한 회전 이외에 자체회전과 다른 행성과의 위치에따른 다른 여러 움직임이 포함되어야만, 현재의 운동을 설명할 수 있는 모순이 발생하였다. 그러나 중심을 태양을 중심으로 한 천체의 운동을 가정하면, 단순한 원운동 만으로도 지금의 여러 현상들을(계절의 변화, 각 주기의 변화, 천체내에서의 위치변화 등) 설명할 수 있었다. 그래서 코페르니쿠스는 종교의 교리와 관습에서 벗어난 실제 관측에 의한 결과값을 지동설을 중심으로 설명을 했으며, 이는 당시 시대 상황에서는 신에 반역하는 모습이며 당연히 죽음으로 다스려 질 만한 범죄였다. 그러나 당시에는 이런 코페르니쿠스의 주장은 시대에 큰 변화와 충격을 주지 못했으며, 발표이후 건강의 악화로 자신 또한 꾸준하게 활동을 하지 못하였다.
16세기 갈릴레오 갈릴레이가 지동설을 뒷받침 하는 여러 연구 결과와 새로운 사실들을 발표함으로서 지동설은 단순한 변방의 이야깃 거리라 아닌 시대의 중시으로 들어오게 되었다. 특히 케플러의 연구를 기반으로한 태양계 내의 행성들의 움직임은 지동설을 둿받침하는 큰 증거이며, 그 동안의 천동설이 가지는 의문과 문제점을 해결하게 되었다.
신이 지구를 만들고 이후 뉴튼으로 하여금 설명을 하게 했다. - 뉴튼은 영국만이 아니라 유럽 전체에 있어서, 중세 종교중심의 사고와 관습에서 인간 중심으로 넘어가는 과정에 중요한 인물이다. 신이라는 창조주 이후 인간에게 신의 이야기를 전해준 신화속의 인물처럼 받들어진다. 이런 상황은 20세기초 아인슈타인의 상대성이론으로 뉴턴역학의 문제와 근본적인 오류를 지적 했음에도 이어지고 있다. 그 만큼 뉴튼은 만유인력을 발견하고 만유인력 즉, 중력으로서 거시세계에 대한 설명과 이를 수학을 통해 명확하게 인지할 수 있는 정량적 근거를 제시함으로서 신이 만든 세계를 해석한 인물로서 존재한다. 그가 쓴 "프린키피아"는 자연을 수학을 근거로한 물리법칙으로 설명을 함으로서 대부분의 거시 세계에 대한 이론적 바탕을 갗출 수 있도록 해주었다. 그리고 뉴튼이야말로 그 동안 철학의 범주에서 상상이나 경험의 산물로서만 이야기 할 수 있었던, 공간과 시간에 대한 개념을 과학이라는 이해 가능한 학문속에서 설명한 최초의 인물이랄 수 있다. 시간과 공간은 인간에게 상대적 개념으로서 경험에 의해 형성되는 추상적인 대상이었다. 뉴튼 이전의 공간과 시간은, 철학자 칸트의 이야기 처럼 선험적 지식이었다. 즉, 배워서 아는 것이 아니라 태어남과 동시에 인지하는 대상이었으며, 공간과 시간은 바라보고 느끼는 대상의 간접적 경험에 의해 증명되고 만들어지는 것이었다. 그래서 한 공간에서 두명의 사람이 있으면 그 두명이 느끼는 공간에 대한 이미지와 시간의 길이에 대한 느낌은 서로 다르게 인식되었으며, 이는 당연히 상대적 개념으로 받아 들여지고 있었다. 그러나 뉴튼은 세계를 만유인력이라는 중력으로서 설명을 하기 위해서 공간과 시간에 대해서 절대성을 부여하여야만 했고, 뉴튼 이후의 중세 유럽에서는 개인이 느끼는 공간과 시간은 상황과 당시의 기억에 의해서 만들어지는 단순한 잘못된 정보이며, 이 세상에는 절대공간개념과 절대시간의 흐름이 존재한다고 믿었다. 그리고 이는 뉴튼역학의 근간을 이루는 중요한 개념이기도 하다. 뉴튼 역학에서 관찰자는 사건에 관여하지 못하며, 발생하는 사건은 우리가 이야기하는 절대 공간 즉, 절대 좌표계에서 시간축과 공간축을 중심으로 사건이 발생하고 진행 된다고 생각했다. 그래서 세상의 이치는 뉴튼의 방정식에 조건과 시간을 넣으면 이후 특정 시간후에 그 물체의 움직임과 위치를 알아낼 수 있는 결정론적 사고가 지배적이었다. 그래서 시간은 우주적 시간이 존재하며, 이는 우주안에 어떤 대상에게도 동일하게 흘러간다고 생각했다.
아인슈타인의 천재성과 이후 현대 과학의 시간적 개념 - 200년의 시간동안 중세 유럽의 시간의 개념은 절대성이다. 상대적 느낌에 따라 시간의 흐름이 다른것은 단지 개인적 느낌일 뿐 시간은 누구에게나 동일하게 흘러 간다고 생각했다. 만약, 우리가 지금도 이런 개념을 유지하고 있다면 지금 인류는 달에 갈 수도 인공위성을 통한 GPS서비스 및 현대 첨단 기기들의 사용이나 개발을 하지 못했을 것이다. 긴 오랜 시간 동안의 절대성을 금을 가게 한건 아인슈타인이었다. 그러나 아인슈타인의 이런 발상을 이끌어낸건 19세기에 발전한 전자기학 덕분이었다. 19세기 전기가 발명이 되고 전기의 다양한 기능과 전기의 힘의 원천을 알아가는 과정에서 인간은 자연스레 미시세계에 대한 관심을 가지게 되었다. 그 동안은 보이지 않는 미시세계에 대해서 인간은 최소 단위 원자의 존재 여부에만 관심이 있었을 뿐 그 내부의 구성과 움직임에는 관심이 없었다. 전기 이전의 과학발전은 주로 외부의 보이는 자언의 힘을 자연스레 운동에너지로 교환해서 이용하는 것이 전부였다. 증기 또한 수증기의 압력을 운동에너지로 전환하는 장치이며, 안의 분자의 움직임이나 형태에 대한 관심은 이후의 일이었다. 그러나 전기가 나오고 전기의 힘의 전달 방식이 미시세계의 원자의 움직임에 의해서 결정되어 지며, 전기와 자기는 같은 힘의 다른 형태라는 걸 알게 되었다. 그리고 이 과정에 힘은 파동의 형태로 진행이 되며 전달된다고 생각하게 되었다. 그런 중에 아인슈타인은 인간이 빛과 똒같은 속도로 달린다면 과연 우리는 어떤 풍경을 보게 될까 하는 고민을 하게 되었다. 그리고 또 한가지는 뉴튼 역학에서 나오는 힘의 즉시성은 정보와 힘을 전달하는 매개 물질의 속도의 한계에 의해서 불가능 하다고 생각하게 되었다. 만약, 태양이 지금 사라진다면 지구는 당장 사라진것을 느끼며 궤도를 이탈하게 될 것인가? 라는 생각을 하게 된 것이다. 이는 뉴튼역학의 기본 구성인 시간의 절대성이깨지는 순간이 된것이다. 뉴튼역학에서 시간의 절대성은 사건이 일어나는 시점을 중심으로 바로 즉시 거리나 위치에 상관이 없이 적용되어야 했다. 그런 뉴튼의 가정이 당시 전기의 발명과 어떤 공간내에서 벌어진 일에 대한 정보를 전달하기 위해서는 전자기의 일종인 빛이 그 역할을 한다는 사실을 알게 되었다. 또한 빛은 속도가 정해져 있어서 거리에 따라 정보의 전달이 달라지게 되고, 그에 따른 힘의 작용도 달라진다는 사실이 알려지게 되었다. 그래서 아인슈타인은 상대성이론을 통해 관측계에 따라 관측자의 시계는 다르게 간다는 상대성이론을 발표했다.
