[PRESS] '살아있을' 유일한 시간 - 지금, 나우 시간의 물리학

글 입력 2019.07.07 17:54
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안드로메다 은하
출처: 허블 우주 망원경 홈페이지


태초에는 아무것도 없었다. 빛도, 공간도, 시간도, 질량도 존재하지 않았다. 빅뱅은 어느순간 일어났다. 우리가 왜 태어나 의식을 가지고 있는지 모르는 것처럼, 그냥 갑자기 모든 것이 시작되었다. 우리가 빅뱅이라 불리는 태초의 순간에 공간은 팽창되었다. 공간이라는 개념 자체가 이 빅뱅을 시작으로 생겼기 때문에, 팽창된 공간 외를 무엇으로 정의할 수 있는지는 알 수 없다. 그저 빅뱅이 일어난 순간 공간은 팽창되었고, 후에는 자연과학의 재료가 되는 시간과 공간이라는 인과율의 재료가 생겨났다. 이 놀라운 과정이 하나의 신화처럼 느껴지는 것에는 어쩔 수 없는 한계가 있다. 과학은 빅뱅을 실험적으로 입증할 수 있었지만, 모든 것을 설명할 이론과 실험을 찾지는 못했다. 미스테리로 가득찬 태초는 리처드 뮬러의 말대로, 슈뢰딩거의 고양이라는 장난같은 가설이 실제로 가능한 세상에서 과학이라는 한정된 단어로 설명하기 어렵다.

팽창하는 공간의 입자들은 압축된 공간에서 맹렬히 움직이다가, 열이 식으면서 서로 결합하기 시작했다. 결합된 원자들은 수소, 헬륨과 같은 단순한 원자가 되었고, 이 작은 것들이 후에는 모든 질량을 만들었다. 중력에 끌린 원자들은 모이고 흩어져 구름을 만들고, 은하와 성단을 만들었다. 진공이 존재하게 되고, 구름 속에서 차가운 물질 덩어리가 압축되고 열을 냈다. 그리고 비로소 '빛'이 있었다. 별 속 핵은 탄소와 산소, 철을 융합하고 그런 곳에서 생명과 지성의 물질이 생겼다. 더 복잡한 과정과 이에 대한 입증이 책에 포함되어 있지만, 그것을 하나하나 소개하기엔 글이 너무 복잡해질 것 같다. 하여튼 이것이 지금 존재하는 '당신과 나'를 존재하게 한 배경이다.

이 책의 마지막에서 우주론적 시간 화살을 제시한 리처드 뮬러에 따르면, 공간이 계속해서 팽창하는 빅뱅은 태초에만 일어난 사건이 아니다. 우주의 공간은 계속해서 팽창하고 있고, 신비로운 양자물리학적 측정 과정에서 이미 작동된 시간의 요소는 과거, 공간의 팽창으로 생성되어 추가된 새로운 시간은 바로 지금이다. 내가 타자를 쓰는 몇 초, 당신이 이 텍스트를 쓰는 몇초인 지금, 시간이 생성되고 흘러갔다. 우리는 '지금'을 통해 우리가 감각한 것들을 작업기억으로 옮기고, 또 장기기억으로 부호화시키면서 의미를 구성할 것이다. 표상으로 변환되어 연속적으로 엮은 시간은 '나'라는 자아를 만든다. 나라는 존재는 그렇기 때문에 우주적이다. 우리가 존재하는 시간과 공간은 거대한 과정의 결과다. 이렇듯 저자는 후반에 물리학이 설명할 수 없는 부분을 분명히 언급하면서, 자유의지에 대한 이야기를 꺼낸다.

앞의 부분이 시간에 대한 물리학의 성과를 대중들이 이해하기 쉽게 설명하는데 주의를 기울였다면, 후반부는 그의 철학이 깊게 배여있다. 필자는 이 후반 부분에서 깊게 공감한다. 이유가 무엇이 되었건 시간은 생성되고, 흘러간다. 그 순간 순간에 존재하는 우리는 매초 살아있다고 느낀다.시공간을 떠나서 모든 인간 행동이라는 사건은 의지에 의해서 행해진다. 우주적 과정으로 만들어진 시간 안에서 움직이는 인간의 행동은 또 아이러니하게도 엔트로피와 같은 우주적 과정에 영향을 준다. 사실, 생물의 탄생과 존속 자체가 엔트로피에 영향을 준다. 그렇기 때문에 충격적이게도 존재한다는 것은 결코 '나'라는 하나로 존재하는 것이 아니다. 인식은 오롯히 그 자신에게 달려있지만, 시간의 흐름에 의존하는 분자의 결합인 우리는 결코 단 하나로 생성되지도 않았고, 존재하지도 않으며, 소멸되지도 않는다.



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뮬러의 입으로 간접적으로 접한 물리학의 세계에서 나라는 존재는 작고 하찮기 그지없게 느껴지기도 한다. 어쨌든 시간은 흐르지만, 방향은 몰라도 시간과 공간은 상대적이며, 우리는 인과법칙 속에서 모든 것이 고정되어 있다고 생각하지만 이야말로 대단한 착각이다. 이러한 맥락에서 양자파동에 대한 이야기가 제시되었고, 살아있으면서 죽어있는 기묘한 고양이를 가정할 수 있게 되었다. 실제로 양자물리학자들은 미시세계에서 시간 역행이 가능함을 입증해냈다.

이런 생각은 쉽게 우리를 회의주의로 밀어넘어뜨릴 수 있다. 하지만 반대로 이 거대한 과정 속에서 자연스럽게 살아 숨쉬고 세계에 대한 연구를 진행할 수 있는 우리의 존재는 얼마나 거대한가? 우리는 살아있다. 인간의 삶은 감각하고 느끼고 생각하고, 행동하는 모든 것을 의미한다. 우리는 아직도 이 모든 과정을 밝힐 수 없지만, 우리는 자연스럽게 시간을 보내며 감각하면서 살아간다. 그리고 지금 우리가 살아있는 이 모든 순간은 우리가 우리로서 존재할 수 있는 유일한 순간이다. 단순히 감성적 언어로서가 아니라 우리는 정말로 우리의 뇌, 우리의 신체, 우리의 문명, 우리의 지구, 우리의 우주로 인해 지금이란 순간을 보내고 있다. 물리학이 발전하지 않은 그 전에도, 필자가 이 책을 읽기 전에도 자연스럽게 해오고 있었던 것이다. 이것이 자연스러운 과정이라는 사실은 얼마나 충격적인가.

필자는 과거 과학에 큰 관심이 없었고, 생물심리학 이해를 위한 생물학의 기본지식을 제외하고는 과학 분야를 접한 적 없다. 그렇기 때문에 이번에 선정한 이 책은, 이해하기 어렵지만 거의 한 페이지를 넘길 때마다 밑줄을 긋고 반정도의 페이지를 접어둘 정도로 충격의 연속이었다. 이 또한 무슨 운명의 장난인가, 책의 후반에서 언급하기도 한 철학자인 쇼펜하우어의 책을 바로 이전 책으로 읽은 바가 있다. 책에서 다른 방식으로 언급하긴 하지만, 인과법칙을 넘어선 본질을 이해할 수 없다는 그의 주장은 리처드 뮬러의 입에서도 반복된다. 실제로 쇼펜하우어가 인과율을 이해하기 위한 기본재료로서 제시한 시간과 공간은 물리학자들에 의해 반박되었다. 책의 모든 내용을 이해했다고 자신있게 말할 수 는 없지만, 책을 덮고나서 질량, 속도, 시간, 공간을 철저하게 분리된 무언가로 생각할 수가 없다. 앞서 말했듯이 나의 존재를 하나의 존재로 말할 수 없는 것과 같다.

필자는 심리학을 전공하는 사람으로서 모든 것들이 그저 우리의 신체가 만든 표상에 불과하다는 것은 이해하고 있었지만, 내가 존재하는 시간과 공간, 내가 느끼고 경험하는 모든 질량이 어느 좌표에서는 불분명하며, 정지되어 있지 않다는 것은 잘 몰랐고, 그래서 큰 충격을 받았다. 과학을 열심히 공부한 사람들에게는 우스워 보일지 모르겠지만, 필자는 새삼스럽게 아직도 열이 원자와 분자의 운동으로 이루어져있다는 사실이 놀랍기만 하다. 일초가 지나가는 지금도 우주의 공간이 확장되고 이것이 시간이 된다는 사실을 어떻게 쉽게 받아들일 수 있겠는가. 그리고 이 시간조차도, 아이슈타인의 상대성 이론에 따라,(저자가 부정했으며, 어디까지나 이론적으로는) 순서가 바뀔 수 있다. 진실로 필자는 이 책을 읽으면서 스스로 얼마나 세계를 한 단편으로서만 바라봐왔는가에 대한 회의에 부딫치게 되는 과정을 반복해왔다. 그리고 책을 모드 읽은 다음에도 도저히 이 이상한 기분에서 헤어나올 수가 없다.

책의 흐름을 정리해보자면 아래와 같다. 저자는 우선 아인슈타인의 상대성 이론을 설명한다. 그의 상대성 이론은 인류가 생각해온 시간의 개념을 뒤집는 것이었다. 상대성 이론은 두 사건이 한 좌표계에서 동시에 일어나는 것처럼 보여도, 수많은 좌표계중 하나에서는 동시에 일어나지 않을 수 있다고 이야기 한다. 이 역설을 설명하는 것으로 '타키온 살인'이 있다. 우선 이 역설이 가능하기 위해서는 빛보다 빠른 가상의 입자, 타키온을 가정해야한다. 메리가 이 타키온 총으로 존을 살해한다. 메리는 지구 좌표계가 아닌 광속이 절반인 좌표계에서 재판을 받겠다고 신청한다.


지구 좌표계에서 두 시간 간격은 양의 값을 갖지만, 광속이 절반인 좌표계에서는 음의 값을 갖는다. 음의 값을 취하게 되면 두 사건의 순서가 역전된다. 즉, 이 좌표계에서는 발사보다 심장에 꿰뚫리는 것이 먼저다. 메리가 총을 쏘기도 전에 존은 죽었기 때문에 그녀는 무죄다. 하지만 재판장은 결코 그녀에게 무죄를 선고하지 않는다. 물리현상과 다르게 메리는 자유의지를 가졌기 때문이다. 시간 역행이라는 말에 타임머신을 상상하는 이들이 있지만, 음의값을 취하게 하는 타키온은 아직 발견되지 않았으며, 뮬러는 자신의 철학(개인적으로 생각했을 때, 그의 책은 다소 종교적인 면면이 돋보인다)으로 그것이 발견되지 않을 것이라 믿는다. 반대로, 그는 그렇기 때문에 타키온이 발견되면 자유의지에 대한 자신의 의견이 틀렸음을 인정할 것이라고 소탈하게 이야기 한다.

그 다음에는 엔트로피에 대해 설명한다. 현대 물리학은 시간의 흐름을 엔트로피로 설명하고 있다. 엔트로피의 개념을 이해하기 위해서는 열역학의 발견부터 돌아가야하니, 이 리뷰에서 자세히 설명하지 않는다. '무질서도'라는 말을 통해 엔트로피는 오늘날 쉽게 다양한 매체에서 왜곡되고 있으나, 사실 추상적인 개념이 아니라 실제 관측할 수 있는 수치다. 이에 관해서는 책을 직접 들춰보길 권한다. 과학에 문외한이었단 필자도 즐겼으니, 당신에게도 즐거운 과정이 될 것이다.


다시 돌아가서, 엔트로피가 전보다 증가하면 시간이 흐른 것이다. 그렇기 때문에 만약 우리가 신이고 두 지구의 시간을 알아야 하는 상황이라면, 엔트로피가 증가한 상태의 지구를 시간이 미래의 지구라고 이야기할 수 있을 것이다. 에딩턴은 이처럼 엔트로피는 증가하거나 유지한다는 열역학 2법칙에 따라, 엔트로피의 증가가 시간의 방향을 결정한다고 주장했다. 이것이 '시간의 화살'이론이다. 하지만 이 이론을 저자 이론을 관측에 맞춰 만들었다고 비판했다. 2부 '부러진 화살'에서 자세한 내용을 서술하고 있다. 엔트로피에 대한 시간 설명은 우리 우주가 고도로 조직화되어 있다는 사실을 가리킬 뿐이라는 것이다. 애당초 열역학 제 2법칙부터가 절대적인 법칙이 아니라, 확률이 높은 사건이 낮은 사건보다 더 잘 일어난다는 동어반복에 불과하다. 이를 인과관계로 해석할 근거는 없다는 것이다.


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저자는 이에 대한 대안으로 양자화살과 우주론적 화살을 제안한다. 양자물리학은 실제세계가 파동함수라는 유령과 같다고 이야기했다. 파동함수는 유령과 같고, 빛보다 빠르게 붕괴하며 원리상 정확히 측정할 수 없다. 필자가 앞에서 계속해서 반복해서 언급한 슈뢰딩거의 고양이의 이야기가 여기서 나온다. 슈뢰딩거는 우리에게 상자 안에 있는 고양이 한 마리를 떠올려보기를 권한다. 상자 안에는 다음 1시간 동안 50% 확률로 붕괴하는 방사선 원자가 포함되어있다. 방사성 원자가 붕괴하면 고양이는 죽을 것이다. 한 시간 후 죽어있는 고양이를 발견할 확률도 50%, 살아있는 고양이를 발견할 확률도 50%다. 물리학자가 사용하는 표준 접근법에 따르면, 고양이를 기술하는 진폭은 1시간 동안 변한다. 한시간의 막바지에 다다르면 변화된 진폭은 동일한 두 부분으로 구성된다. 고양이는 살아있기도 하고, 죽어있기도 하다.

양자물리학의 규칙에 따르면 상자를 열고 안을 들여다보는 행위가 측정을 구상하고, 측정되자마자 파동함수는 붕괴하고 당신은 두개의 중첩된 실재가 아닌 오직 하나의 실재를 마주한다. 슈뢰딩거와 아인슈타인은 이 이야기를 귀류법으로 간주하고, 양자물리학을 불합리하다고 주장했다. 이처럼 양자물리학에서 확률만을 예측할 수 있는 어떤 것들에 의해서만 설명 가능하다. 결과는 그 반대였다. 아인슈타인은 이러한 양자학을 불합리하다고 여기고 숨은 변수를 도입하였으나, 스튜어트 프리드먼과 존 클라우저가 카라슘 원자에서 방출된 광자의 편광을 측정한 결과, 이 유령과 같은 원격 작용은 실재했다. 과학에 대한 맹신에 대한 비웃음 처럼, 양자물리학은 물리학이 불완전하고, 과거가 미래를 완전히 결정하지 않음을 입증했다. 이렇게 서술하면추상적인 무언가로 받아들일 수 있지만, 이 양자이론은 우리가 일상적으로 사용하는 스마트폰과 컴퓨터 설계에도 응용되며, 예측값과 관측값이 소수점 열째자리까지 일치하는, 물리학 이론 중 가장 성공적인 이론이다.

뮬러는 4차원 시공간 폭발인 빅뱅이 공간과 시간을 생기게 했으며, 계속 팽창하며 시간을 만들어낸다고 주장했다. 팽창하는 시간으니 최전선, 끝 모서리가 우리의 '지금'이라는 것이다. 지금들은 모여서 시간의 흐름을 만든다. 엔트로피가 아니라, 빅뱅 그자체에 의해서 우리는 오늘날을 살아가는 것이다. 뮬러는 자신의 이론을 검증하기 위해 우주의 팽창이 가속되고 있다면 시간 역시 가속되고 있으니 오늘의 시계가 어제의 시계보다 빨리간다는 우주론적 시간가속을 탐지하고 측정하여야 한다. 이 중 두 개의 블랙홀이 충돌해 붕괴할 때 국소적으로 새로운 시간이 생겨나고, 충격파의 뒷부분에서 시간 지연이 관측되어야 한다는 실험이 책의 저술이 끝난후 입증되었다. 리처드 뮬러의 이름을 유튜브에 검색하면 그 내용을 확인할 수 있다.

수식과 설명으로 가득찬 책이었지만, 책 장을 넘길때마다 충격에 휩쌓였던 책이다. 책은 어려운 개념들을 담고있지만, 그 과정을 견뎌내는 이들에게 말로 형언하기 어려운 감동을 준다. 시간은 가고, 육체는 죽어가지만 우리 모두가 진리를 고민하고 탐구한다. 그 과정의 일환으로 권할 멋진 책이다.


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리처드 뮬러


미국의 실험물리학자. UC 버클리 물리학과 교수. 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL) 수석과학자.

1944년 뉴욕에서 태어났다. 컬럼비아 대학교를 거쳐 UC 버클리에서 물리학 박사학위를 받고, 1978년부터 UC 버클리 교수로 재직하고 있다. 대학원생 때 노벨상 수상자인 루이스 앨버레즈의 제자로 입자물리학 실험들을 시작해 가속질량분석기(AMS) 등을 개발했다.

이후 천체물리학으로 관심을 옮겨 우주 마이크로파 배경복사의 비등방성을 최초로 측정했으며(이 프로젝트를 계속 추진한 동료 조지 스무트는 2006년 노벨물리학상을 받았다), 초신성 실시간 탐사 프로젝트를 기획했다(이 연구를 이어받은 제자 솔 펄머터는 우주의 가속 팽창과 암흑에너지를 발견해 2011년 노벨물리학상을 수상했다).

지구물리학에도 관심을 갖고 지구자기장 역전, 빙하 주기, 운석 충돌과 생물 멸종 등을 연구했으며, 특히 딸 엘리자베스와 함께 비영리단체 ‘버클리 지구’를 설립하여 지표면 온도의 장기 기록을 분석함으로써 지구온난화의 증거를 검토했다. 2011년 미 의회 과학기술위원회에 출석해 “데이터가 전반적인 지구온난화 경향을 보여주며, 인간이 거의 전적인 원인”이라는 유명한 증언을 했다.

미 국방부 과학자문단(JASON)의 일원으로 활동했으며, 다양한 물리학 분야에서 중요한 발견과 발명을 이끈 독창적이고 혁신적인 연구들을 한 공로로 앨런 워터만 상, 맥아더 펠로우십 등을 수상했다.

뮬러는 탁월한 실험과학자일 뿐 아니라 뛰어난 교사이기도 하다. 과학 비전공 학생들을 대상으로 복잡한 수식 없이 현대 물리학의 요체를 알려주는 그의 ‘미래 대통령을 위한 물리학’ 강의 시리즈는 학생들이 뽑은 최고 명강의에 선정되었고, 유튜브로 공개돼 과학 강의로는 이례적인 인기를 끌었다.

주요 저서로 《대통령을 위한 물리학》 《대통령을 위한 에너지 강의》 《리처드 뮬러의 그림으로 배우는 물리학》 《미래의 리더들을 위한 과학 입문》 등이 있다.



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[손진주 에디터]
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