절대불변의 시공을 왜곡한 상대성이론...그래도 풀지 못한 과제

자연계의 대부분은 대칭성을 가지고 있는데 왜 시간은 한 방향으로밖에 흐르지 않는가? 옛부터 물리학자들이 고민해 온 궁극의 질문이다.

일정한 방향으로 날려진 '시간의 화살'이란?

자연과학에서 시간은 물리학의 주제로 생각되어 왔습니다. 그러나 물리학이란 그 이름대로 '물'의 '리'를 다루는 학문입니다. 눈에 보이지 않고 실체 유무도 잘 모르는 시간에 어떻게 접근하면 좋을지 옛부터 많은 물리학자가 머리를 싸매어 왔습니다.

이윽고 무형의 시간을 어떻게든 파악하기 위한 3가지의 단서를 생각할 수 있게 되었습니다. '방향', '차원 수', '크기'로 이러한 관점에서 보았을 때 시간에는 다른 물리적인 연구대상과는 완전히 다른 특징이 있다는 것을 알게 되었습니다.

이 중 '방향'에 대해서는 많은 물리학자가 '시간은 흐름을 가지고 있고 그것은 적당히 곳곳으로 향하는 것이 아니라 항상 일정한 방향으로 흐르고 있다'고 생각해 왔습니다. 그리고 흐름은 '한쪽에서 한쪽으로 나아가는 것으로, 그 반대는 있을 수 없다', 즉 돌이킬 수 없는 것이라고 생각되어 왔습니다. 시간의 방향에 대한 이러한 견해를 나타내는 말이 '시간의 화살'입니다. 영국의 천문학자 에딩턴이 저서 'The Nature of the Physical World'('물적세계의 본질')에서 사용한 것이 최초입니다.

영국의 천문물리학자, 아서 스탠리 에딩턴(Sir Arthur Stanley Eddington, 1882-1944)

에딩턴은 시간은 우주가 시작된 이후로 유일한 방향, 즉 과거에서 미래로 향하는 한 방향으로만 흐르고 그것은 마치 일직선으로 날아가는 화살처럼 보이고 결코 돌아오지 않는다고 말했습니다.

무엇보다 옛부터 그렇게 생각되어 왔습니다. 예를 들어 조용한 연못에 돌을 떨어뜨리는 장면을 상상해 보면 파문이 주위에 퍼져 가는 모습이 눈에 띕니다. 그것은 시간이라는 것이 흐르고 있다는 것을 느끼게 하는 광경입니다. 이 파문은 바깥쪽으로 퍼져 나가기만 하고 무언가에 닿아 반사하지 않는 한 결코 안쪽으로 향하지는 않습니다. 이를 통해 시간의 흐름이 돌이킬 수 없다는 사실을 알 수 있습니다.

최근의 연구로 우주는 빅뱅이라고 불리는 고에너지 상태로 시작된 뒤 현재까지 팽창을 계속하고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 수축하지 않고 팽창하는 방향으로만 향하고 있습니다. 이것도 파문의 비유와 닮았고 시간의 화살을 연상시킵니다.

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어쩌면 시간의 불가역성은 우주가 생겼을 때부터 근원적인 수준에서 정해져 있었을지도 모른다고 생각됩니다. 이와 같이 우주의 스케일로 생각하는 시간의 화살을 우주에서의 시간의 화살이라고도 부릅니다.

일상적인 시간의 화살을 보여주는 증거

이것들은 물리적인 현상이지만 그 밖에도 시간이 흐르는 방향이 돌이킬 수 없다는 사실을 느끼게 하는 사례는 여러가지 있습니다. 예를 들어 초목이 싹을 내고 줄기가 뻗어 꽃을 피우며 열매를 맺고 곧 시듭니다. 우리는 삶에서 죽음으로 가는 시간의 흐름을 알고 있습니다. 역방향의 시간흐름은 상상하기 어려우며 이것을 생물학적 '시간의 화살'이라고 표현할 수 있습니다.

또한 우리 인류를 비롯한 어느 정도의 지성을 가진 생물은 뇌에 장기적인 기억장치를 갖추고 있습니다. 강의 흐름과 같은 기억을 가지며 이것을 학습이라고도 표현할 수 있고 생물은 이런 식으로 환경에도 적응하며 진화해 왔습니다.

만약 미래의 사건이 먼저 있고 그 후 현재가 되어 과거로 시간이 흐르고 있다면 우리는 어떠한 행동을 취하면 좋을지 모르게 되고 공황에 빠질 것 같습니다. 이러한 시간의 흐름은 인지학에서의 시간의 화살이라고 말할 수 있을지도 모릅니다.

이러한 다양한 사례를 보아도 시간의 흐름은 확실히 돌이킬 수 없고 단방향은 시간의 본질적인 성질이라고 생각됩니다.

빛의 절대적인 지위가 시간이 느리게 하다

한때 20세기 초까지의 물리학에서는 시공은 절대 불변으로 다른 모든 것의 움직임을 측정하는 기준이라고도 생각되고 있었지만 1905년에 발표된 아인슈타인의 특수상대성이론에 의해 우리가 사는 세계 그 자체인 공간이나 시간 즉 '시공'은 변동하는 상대적인 것임을 알게 되었습니다.

특수상대성이론을 발표했을 무렵의 아인슈타인

당시에는 빛이 진행되는 속도는 상황에 따라 달라질 것으로 보였습니다. 예를 들면 전철을 타고 있는 사람이 라이트를 가지고 있는 경우와 멈춰 있는 사람이 라이트를 가지고 있는 경우를 비교하면 전철을 타고 있는 사람의 라이트로부터 나오는 빛의 속도는 전철의 속도＋빛의 속도가 되기 때문에 멈춰 있는 사람이 가지고 있는 라이트의 빛보다 빨라질 것이라고 당연하게 생각했습니다.

그러나 아인슈타인은 빛의 속도를 절대적인 지위로 격상시켜 빛의 속도는 어떤 상황에서도 불변이며 이 세상의 모든 물질 중에서 최대 속도라는 것이 증명되기 전에 '원리'로 해 버렸습니다. 아인슈타인에 의해 광속도 불변의 원리가 확립되어 거기로부터 특수상대성이론이 나왔습니다.

물체가 우리의 일상에서 볼 수 있는 운동을 하고 있으면 뉴턴의 물리학에서도 사실상 문제는 없지만 물체가 광속, 즉 초속 30만 km에 가까운 특수한 운동을 하고 있을 때, 예를 들면 빠른 속도로 움직이고 있는 로켓을 타고 밖을 보면 물건의 크기가 줄어들어 보입니다. 그리고 지상의 사람보다 시간이 천천히 흐르는 현상이 일어납니다. 공간도, 시간도 특수한 운동에 의해 사이즈가 바뀌기 때문입니다.

게다가 아인슈타인은 일반상대성이론에서 중력이란 시공의 왜곡에서 태어난 것임을 예언했습니다. 극히 대략적으로 말하면 트램폴린의 네트와 같은 시공에 공을 놓으면 그 무게로 그물이 내려앉는 이미지입니다. 물건이 떨어진다는 현상은 그 왜곡에 물건이 굴러간다는 것입니다.

그리고 그는 우주에 극단적으로 강한 중력으로 시공의 그물이 궁극까지 움푹 들어간 곳이 있다고 예언했는데 그것이 블랙홀입니다.

미래를 결정하는 것은 인과율?

따라서 특수상대성이론에서는 '빛'이, 일반상대성이론에서는 '중력'이 절대불변이어야 하는 시간을 늘리거나 왜곡하고 있다고 예언했습니다.

아인슈타인은 상대성이론을 낳은 뒤 상대화한 시간에 있어서의 <원인>과 <결과>라는 '룰'에 대해 몰두하고 생각하게 되었습니다.

이 세상은 모두 원인과 결과에 지배되고 있다고 보이며 불교에도 인과응보라는 말이 있어 나쁜 행위를 하면 돌고 돌아 그 대가를 받게 된다고 가르치고 있습니다.

그리고 물리학에도 '인과율'이라는 규칙이 있다고 생각됩니다. 모든 것은 원인이 있고 결과가 있는 것이며 그 반대는 성립되지 않는다는 생각입니다.

인과율의 사고방식을 극단적으로 추진해 나가면 현재 일어나고 있는 모든 결과는 우주가 탄생한 최초에 정해져 있었다는 결정론이라는 사고방식에 도달하게 됩니다. 그건 웅장한 규모의 이야기로 흥미롭지만 무리가 있을 것 같습니다.

그러나 아인슈타인이라는 사람은 우연을 싫어해 이 세계의 모든 것을 지배하는 법칙을 '신'으로서 숭배하고 있었기 때문에 인과율이 미래에 어디까지 영향을 줄 수 있는지, 그 범위를 제대로 정하고 싶다는 생각이 있었습니다. 그 때문에 사색을 거듭해 온 것입니다.

즉 이 천재는 어떤 원인이 결과에 어디까지 영향을 줄 수 있느냐는 의문을, 빛이라는 절대자의 입장으로 한정하고 싶었던 것입니다.

원인과 결과, 과거와 미래를 잇는 '광원뿔'

원인이 있고 그것이 다음 사건에 전해지기 전에는 힘이라든지 정보라든가 어떠한 전달수단이 불가결합니다. 대표적인 것이 우주를 최대 속도로 진행하는 빛으로 진공이라도 빛이라면 전해집니다. 그러면 빛이 진행될 수 있는 범위 내에서만 어떤 원인이 있는 결과를 초래하는 인과율이 성립됩니다.

이 빛이 진행할 수 있는 범위를 '광원뿔(light cone)'이라고 부릅니다. 모든 사건은 이 광원뿔 속을 피할 수 없고 과거에서 미래로 한 방향으로 진행되고 있다고 아인슈타인은 생각했습니다.

아래 그림에 표시된 것이 광원뿔입니다. 여기에 그려진 역삼각형과 삼각형의 정점을 연결한 선 안에서만 원인과 결과는 관련있다고 한정했습니다. 이 선은 빛의 속도가 도달하는 한계범위이며 그 내부에는 속도가 광속도 이하인 예를 들어 소리 등의 전달정보를 모두 포함하고 있습니다.

An example of a light cone. link:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:World_line2.svg

광원뿔의 이미지. 빛은 상하의 원뿔 안에서만 진행되고 과거와 미래는 이 안에서만 관계된다는 생각으로 이 중간의 정점부분이 지금 우리가 바로 존재하는 현재라는 것입니다. 그림에서 알 수 있듯이 그곳은 모든 과거와 연결되어 있는 것은 아니며, 그 아래의 삼각형 영역과 연결된 정보만 현재와 관련이 있다는 것을 이야기합니다.

아인슈타인은 원인과 결과의 관계를 광속의 범위에 가두어 너무 확실히 결정했습니다. 다시 말하지만 인과율은 원인과 결과가 순서와도 관계한다는 규칙입니다. 즉, 과거와 미래의 순서는 바꿀 수 없다는 것입니다. 그렇다면 시간은 과거에서 미래로의 한 방향으로 나아가서 뒤로 돌아가는 것은 부정되어 버립니다.

하지만 포기하는 것은 아직 이르다. 인과율이 우리에게 시간의 화살을 쏘아 와서 방해를 하는 것은 빛이 과거에서 미래로의 한 방향으로만 진행될 것으로 생각했기 때문입니다. 만약 반대로 미래로부터 과거를 향해 날아가는 빛이 있으면 인과율과도 모순되지 않고 시간이 되돌아올 가능성이 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 絶対不変の時空を歪めた相対性理論。それでも破れなかったものとは?
https://gendai.ismedia.jp/articles/-/74255?imp=0