시간이 왜 이럴까?
시간이 왜 이럴까?
  • 이민환
  • 승인 2020.10.08 15:40
  • 조회수 1200
  • 댓글 0
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여러분들에게 시간이란 무엇인가요? 시간이 흐른 다는 것은 무엇인가요?

 

아리스토텔레스는 이렇게 말했습니다. 

"시간은 변화의 척도다. 아무것도 변하지 않으면 시간은 흐르지 않는다"

 

뉴턴은 이렇게 말했습니다.

"변화와 상관없이 시간은 흐른다. 아무 변화가 없어도 시간은 흐른다. 수학적이고 절대적인 시간이 존재한다"

아인슈타인은 이렇게 말했습니다. 

 

"시간은 상대적이다"

 

시계 시침과 분침이 흘러가는 것이 시간이 흐르는 것인가요? 아니면 동물이나 식물 그리고 우리 사람들이 늙어 가는 게 시간이 흐르는 것인가요? 만약 동물이나 식물 그리고 우리 사람들이 늙어 가는 것이 시간이 흐르는 것이라면 사람마다 흘러가는 시간이 다르지 않을까요?

 

사실 우리가 어디에 위치에 있는가에 따라서 시간은 다르게 흘러갑니다. 평지에 있는 사람보다 산에 있는 사람의 시간이 더 빠르게 갑니다. 산에 있는 사람보다 우주에 있는 사람은 시간이 빠르게 갑니다.

아인슈타인의 상대성이론에 따르면 질량이 큰 물체일수록 주변 시공간을 휘게 만드는데요. 이 때문에 사람이 위치한 장소에 따라 시간이 다르게 흐릅니다. 우주정거장에 혹은 큰 별 주변에 있는지, 아니면 여러분이 블랙홀에 있는지에 따라 시공간의 휘어짐 정도가 달라지면서 시간이 다르게 흐릅니다(시공간 휘어짐이 강할 수록 중력이 세다고 말한다. 중력장 이론). 그래서 영화 '인터스텔라'를 보면 주인공이 질량이 아주 큰 행성이나 블랙홀을 지나갈 때 주인공의 시간은 그대로 흘러 가지만 지구의 시간이 엄청 빠르게 지나버린다는 걸 알 수 있습니다. 자 이렇게 시간은 상대적이고 사람마다 물체마다 흘러가는 시간이 다르다는 것을 알 수 있습니다.

 

그럼 시간이 흘러가는 방향은 어떨까요? 사람마다 방향이 다를까요?

 

우리는 보통 시간은 과거에서 미래로 흐른다고 알고 있습니다. 또 실제로 그렇게 흘러가고 있어요. 그러나 과학자들은 비슷하지만 조금 다르게 설명합니다.

1800년대 아주 예리한 관찰력을 지닌 과학자 루돌프 클라우지우스 교수께서 "열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 이동할 수 없다"는 한 문장을 발표합니다.

 

다시 말해 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로만 흘러간다는 것이에요! 이 법칙이 과거와 미래를 구분하는 한 법칙으로서 물리학에서 인정하고 있습니다. 클라우디우스 교수, 여기서 더 나아가 열이 역행 없이 한 방향으로만 이동하는 그 상황을 측정하는 양을 '엔트로피'라고 이름 붙입니다.

열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흘러갈수록 뜨거운 것과 차가운 것이 섞여서 복잡해집니다. 미지근해지는 거죠, 이렇게 복잡해지는 것을 엔트로피는 증가한다고 말 할 수 있습니다. 이 엔트로피가 증가한다는 것은 큐브로도 설명이 가능합니다. 색깔 별로 깔끔하게 맞춰진 큐브를 아무 생각 없이 그냥 돌리기 시작하면 여러 색이 뒤섞인 큐브가 됩니다. 복잡해지죠. 엔트로피가 증가한 상황입니다. 시간이 흐른 것입니다.

 

자 이렇게 시간과 열은 아주 깊은 관계가 있다는 것을 알 수 있게 되었습니다. 그런데 여기서 끝이 아닙니다. 현대 과학은 우리 눈으로 볼 수 없는 미시 세계를 생각하기 시작했습니다. 양자의 세계죠. 양자는 크기가 있는 입자라는 뜻이고 물리량이 취할 수 있는 최소량을 의미합니다. 그러나 입자처럼 보이지는 않습니다.

 

우리 주변의 모든 것은 양자로 이루어져있고, 에너지도 양자로 이루어져있고 빛도 양자로 이루어져 있습니다. 그리고 시간과 공간도 양자로 구성됐죠. 마치 예술가 조르주 쇠라님이 점을 찍어 그린 '그랑자트섬의 일요일 오후'라는 작품처럼 세상은 점으로 이루어진 것입니다.

조르주 쇠라 '그랑자트섬의 일요일 오후'

그런데 양자역학의 특징 중에는 불확정성이 있습니다. 쉽게 말해 양자 하나를 측정하기 위해 사용한 에너지 때문에 양자들의 운동량이 변화됩니다. 이로 인해 양자의 위치가 바뀝니다. 그래서 실제로 측정하려는 양자가 그곳에 있는지 없는지 확인하기가 어렵습니다. 결국 우리가 볼 땐 양자는 확률적으로 위치하게 되는 것입니다. 

 

여기 있을 수 있고 저기 있을 수도 있고

 

시공이 양자로 이루어져 있다면 양자역학의 불확정성 원리에 따라 미시 세계에서는 시간과 공간이 확률적으로 위치하게 된다고 볼 수 있겠네요. 시간의 양자가 과거에 있으면서 현재에도 있고 미래에도 있을 수 있는.. 다르게 해석해보자면 미시 세계에서는 국소적으로 과거가 현재가 되고 미래가 현재가 될 수도 있지 않을까요? 여기선 저의 상상도 포함됩니다.

 

크리스토퍼 놀란 감독의 영화 '테넷'은 엔트로피의 증가와 감소를 바탕으로 구성됐습니다. 특정 공간이나 특정 물체 아니면 특정한 사람의 엔트로피를 감소시켜서 특정 공간이나 물체와 사람의 시간만 되돌리는 것입니다. 이 원리의 배경이 되는 설명으로 양전자 이야기가 잠깐 나옵니다. (-) 전하를 가진 전자와는 반대로 (+) 전하를 가진 이 양전자는 반물질입니다. 리처드파인만의 결론에 따르면 '시간을 거꾸로 이동하는 전자'라고도 할 수 있습니다.

 

어쩌면 영화 테넷 속 과학자는 미시세계에서 적용되는 이론을 거시 세계까지 적용해서 과거가 현재가 되고 미래가 현재가 되는 인버전을 만든 것은 아닐까요? 미시세계에서 과거, 현재, 미래 시간의 양자들이 서로 상호작용하면서 거시 세계에서는 시간이 흐르는 것처럼 보이는 느낌적인 느낌이 되는 게 아닐까요?

 

(아.. 화가 난다.)

 


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영화에서는 시간을 거스르는 장치로 회전문이 나오는데 이때 빛의 색으로 미래의 방향과 과거로의 방향을 암시하고 있습니다. 영화에서 등장인물이나 공간이 현재에서 미래로 향하고 있을 땐 붉은색 빛이 나오고 미래에서 과거로 향할 때는 푸른색 빛이 나옵니다. 


참고자료

 

-책 시간은 흐르지 않는다, 카를로 로벨리

-책 보이는 세상은 실재가 아니다, 카를로 로벨리

-김상욱 교수님 카오스 강의 ‘도대체 시간이란 무엇인가?’

-카오스재단 강의 ‘도대체 시간이란 무엇인가?’

-카오스재단 강의 ‘도대체 엔트로피란 무엇인가?’

-알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기-파동함수, 삼성디스플레이 뉴스룸

-책 나우 시간의 물리학

-파인만 도형


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