시간이란 무엇인가

뉴턴의 어디서나 균일하게 진행하는 '절대시간'

◆ 시간은 항상 일정한 속도로 흐르는 것
크리스찬 호이겐스가 1656년경 진자시계를 완성시켰고 이전보다 정확한 기계식 시계가 보급되면서 '시간은 항상 일정한 속도로 흐르는 것'이라는 개념이 정착해갑니다.

그것을 상식으로써 일반적으로 정착시킨 인물이 영국의 과학자 아이작 뉴턴입니다. 그가 1687년에 발간한 '자연철학의 수학적 원리'라는 책에서 소개한 개념은 '우주의 어디에 놓여 있어도 모든 시계는 무한한 과거로부터 무한한 미래로 변화하지 않고 같은 속도로 같은 시간을 가리킨다,', '공간은 균일하고 무한하게 확장되어 있다'는 것이었습니다. 이 '절대시간'과 '절대공간'을 바탕으로 수립한 것이 이른바 '뉴턴역학'으로 수많은 과학자에게 큰 영향을 미쳤습니다.

후에 아인슈타인에 의해 매우 빠르게 이동하고 있을 때와 같은 특수한 환경에서는 반드시 이 아이디어가 성립되지 않는다고 부정되어 버립니다만, 시간의 개념을 과학적으로 정착시키는데 가장 유명한 이론이며 현대인의 시간관에는 아직도 이런 생각이 지배적입니다.

아이작 뉴턴

◆ 뉴턴의 절대공간에 설정된 '절대시간'
뉴턴은 항상 물체는 절대정지 상태에 있거나 낙하 등 절대속도로 운동하고 있는 것 중 하나라며 그 기준으로 3개축 좌표공간의 '절대공간'을 설정했습니다. 그리고 이 공간 속에서 무엇에도 영향을 받지 않고 언제 어디서나 균일하게 흐르는 시간을 '절대시간'이라고 정의했습니다.

절대라는 의미는 시간도 공간도 물체의 운동과는 관계없이 독립적으로 존재한다는 의미로, 그 안에서 물체란 운동하는 '내용물'에 불과하다는 생각입니다. 그는 뉴턴역학의 근간인 '뉴턴의 운동 3법칙'을 합리적으로 설명하기 위해 이렇게 파악한 것입니다.

아인슈타인의 신축하는 '상대시간'

◆ 아인슈타인의 '특수상대성이론'
19세기에 들어서면서 오스트리아의 물리학자 마하가 우주의 모든 물질이 없어지면 아무런 변화도 일어나지 않기 때문에 시간 자체가 존재하지 않게 된다며, 따라서 시간은 절대적인 것이 아니라 물질과의 상대적인 관계로 존재하는 개념인 '상대시간'을 주장했습니다.

이것이 독일의 물리학자 알베르트 아인슈타인의 상대성이론에 큰 영향을 주었습니다. 아인슈타인은 1905년에 발표한 특수상대성이론에서 '시간의 진행방법은 관찰자끼리의 엇갈린 속도(상대속도)가 작을 때는 눈에 보이는 시간의 차이가 아니지만, 상대속도가 아속도(광속에 가까운 속도)에 도달하면, 눈에 보이는 시간의 차이가 나타나므로, 어떤 때라도 일정하지 않고, 관찰자에 의해 다르다'고 주장했습니다.

이것은 '시간은 관찰자마다 존재한다'는 것이며, 또한 지금까지의 물리적 이론은 개념적으로 분리되어왔던 시간과 공간을 연결하여 시간과 공간이 일체가 된 '시공'이라는 개념을 만들어 그 '시공은 관찰자의 운동상태에 따라 지연되거나 왜곡되며 변화한다'는 충격적인 이론이었습니다.

알베르트 아인슈타인

◆ 왜 시간은 신축하는 것인가?
그의 이론을 알기 쉽게 말하면, '멈춰있는 사람이 바라보는 광속으로 움직이는 사람의 시계가 가리키는 시간은 지연된다'는 것입니다.

빛의 속도는 '광속도 불변의 원리'에 의해 멈춰있는 사람이 봐도, 광속에 가까운 우주선에 타고 있는 사람이 봐도 동일한 30만 Km/s로 이동하고 있습니다. 만일 바닥과 뚜껑의 상하에 거울이 있는 빛시계가 지상에 있는 사람의 옆에 하나, 우주선에 타고 있는 사람의 옆에 1개씩 배치해 각각의 빛시계 바닥거울의 광원에서 나온 빛이 뚜껑의 거울에 도달할 때까지 모두 1초가 걸린다고 가정합니다. 우주선에 타고 있는 사람이 우주선에서 시간을 재자 멈춰있을 때와 같은 1초의 시간이 동일하게 경과합니다. 이것은 '상대성 원리'에 의해 우주선과 그 안의 시계도 같은 속도로 움직이고 있기 때문에 멈춰있을 때와 같은 물리적 현상이 일어나는 것입니다.

한편, 지상에서 멈춰있는 사람이 지상에서 광속에 가까운 속도로 움직이는 우주선의 시계를 바라본다고 가정하면 지상의 빛시계보다 우주선은 가로 방향으로 훨씬 긴 거리를 진행하고 있으며, 지상의 빛시계에서 1초 이상 경과하여도 우주선의 빛시계는 여전히 1초가 경과하지 않은 현상이 나타납니다. 이 때문에 '멈춰있는 사람의 관측으로는 움직이고 있는 사람의 시간은 지연된다'는 것이 증명됩니다.

'우라시마 효과'라는 말이 있는데, 우주선을 타고 광속에 가까운 속도로 우주여행을 마치고 몇 년 후 지구로 귀환하자, 아광속 우주여행 동안 시간의 진행이 지연되어 훨씬 미래의 지구에 도착했다는 이야기입니다.

이 광속에 가까워지면 일어나는 시간의 수축은 시간뿐만 아니라 물체와 공간 자체도 수축되고,
그 때 질량과 에너지가 증가한다는 것을 더한 것이 이른바 '특수상대성이론'입니다.

◆ 중력의 영향을 가미한 '일반상대성이론'
특수상대성이론에 중력의 영향 및 가속 · 감속을 가미한 중력이론이 '일반상대성이론'입니다.
간단히 말하면 중력도 시간을 지연시키는 원인이 된다는 의미입니다. 중력은 지구의 중심에서 멀어질수록 약해지므로 에베레스트산 정상에 있는 시계에 비해 지상에 있는 시계는 극히 미미하지만 천천히 진행한다는 것입니다. 또한 중력은 시간을 지연시키는 동시에 공간(빛)을 왜곡시키는데 중력이 크면 클수록 왜곡상태도 커지고 일정 이상으로 중력이 커지면 빛마저도 빨려 들어가는 공간의 일그러짐, 이른바 '블랙홀'이 됩니다.

강력한 중력을 가진 블랙홀의 경계면에 위치한 우주선과 그 안의 시계는, 당사자의 관점에서는 평상시와 같은 속도로 움직이고 있지만, 그것을 충분히 떨어진 위치에서 관찰하면 우주선과 그 안의 시계가 멈추어진 것처럼 보입니다.

시간의 진행은 어디까지나 두 개 이상의 위치에서의 비교에 의해 상대적으로 인식된다는 것입니다.

시간의 화살의 방향과 엔트로피의 증가

시간을 과거에서 미래로의 흐름이라고 생각하면, 시간의 방향성이 미래에서 과거로 되돌릴 수 있는 가역현상인지 결코 되돌릴 수 없는 비가역현상인지를 '시간의 화살의 방향'을 사용하여 흔히 고찰합니다.

예로는 열이 시간에 따라 고온부에서 저온부로 흐른다는 '열역학적 시간의 화살'과 연못에 돌을 던지거나 방송국의 전파가 그 중심에서 주변으로 확산하는 '파동의 시간의 화살' 그리고 동물의 '진화의 시간의 화살'은 모두 원래대로 돌아가지 않기 때문에 비가역현상입니다.

이러한 현상을 물리학적으로 말하면, 질서있는 구조나 상태가 시간이 지남에 따라 무질서한 구조나 상태로 향하고 있기 때문에 '무질서의 정도 = 엔트로피'가 늘고 있는 상태라고 부르며, 이것을 '엔트로피 증가의 법칙'이라고 합니다.

예를 들어, 블록형태 격자에 따라 제대로 정렬된 전부 흰색인 오델로의 돌을 상자째 몇 번 무작위로 흔들면, 돌은 블록형태 격자에서 벗어나 많은 돌이 뒤집어져 검은 돌이 됩니다.

by Noah. https://www.flickr.com/photos/noahbulgaria/226231535

질서있는 상태는 통계적으로 실현 확률이 매우 작은데, 예를 들어 블록형태 격자에 따라 제대로 늘어선 전부 흰색 돌의 상태에서 무질서한 상태란 실현 확률이 높은 격자에서 어긋난 흑백이 뒤섞인 상태입니다.

따라서 엔트로피 증가의 법칙은 물리적으로는 당연한 이야기로, 실현될 확률이 낮은 상태를 먼저 만들면 시간이 지남에 따라 실현 가능성이 높은 상태에 놓이게 되는 것을 말합니다.

시간의 화살은 우리들 주변에서 관찰되는 현상으로, 수많은 입자가 평균적인 운동을 함으로써 나타난다는 것을 보여주고 있는 것입니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 時間とは何か 第二話
https://museum.seiko.co.jp/