로저 펜로즈 - 왜 우주가 시작되었을까?

이제 노벨상 수상자인 로저 펜로즈 인터뷰.

당신이 경험하는 ‘지금‘이란?

Now: The Physics of Time (Paperback)
리차드 A. 멀러 / W. W. Norton & Company / 2017년 9월

실험물리학자였던 저자의 '시간'과 '현재'의 의미에 대한 책이다. 항상 나오는 상대성이론과 양자역학에 대한 소개도 저자 자신의 관점이 들어가서 비교적 재미있게 읽힌다. 하지만 역시 책의 백미는 물리학 주류의 생각과 달리 시간이 실재한다는 저자의 관점이다. 그런 점에서 저자는 비주류이지만, 그는 UC 버클리에서 주류 물리학자의 삶을 살았다. 시간의 방향('화살')을 설명할 때마다 나오는 '엔트로피의 증가가 그 이유'라는 주장에 대한 그의 반론이 통렬하다. 에딩턴과 그의 추종자들은 상관관계('시간이 진행하는 방향으로 엔트로피가 증가한다')를 인과관계('엔트로피의 증가로 인해 시간의 방향이 결정된다')로 잘못 생각했다는 것이다. 실험물리학자답게 그는 예측가능한 실험을 통해 반증가능함을 보일 수 없는 초끈이론이나 평행우주의 개념에 대해 비판적이다. 

그의 시간 이론의 핵심은 이렇다. 빅뱅 이후, 공간의 팽창을 통해 새로운 공간이 생겨나는 것과 마찬가지로 시간도 생겨나고 있으며, 지금 이 순간에도 생겨나는 이 새로운 시간이 우리가 경험하는 시간의 흐름이라는 것이다. 그는 자신의 이론을 4차원(4D) 빅뱅이라고 부른다. 빅뱅 이후, 공간(3차원)의 팽창만이 있는 것이 아니라 시간(1차원)의 팽창도 있다는 의미이다. 

측정되는 것만이 존재한다고 보는 극단적 물리주의(physicalism)에 대한 비판도 있어서, 단순한 물리학의 경계를 넘어선다. 그는 물리로 파악되는 것 외에 다양한 실재가 있다고 생각한다. 어찌 보면 당연한 말이지만, 물리지상주의자들에게는 납득이 안되는 말일 것이다. 

시간이 실재한다는 그의 관점은 리 스몰린과 유사하지만, 그 이유는 다르다. 시간의 본질에 관한 새로운 이론을 알고 싶은 이들에게 추천한다.

우주 초기의 엔트로피 문제

우주 초기(빅뱅)의 엔트로피가 작음(과거 가설Past Hypothesis)의 문제에 대한 상반된 견해가 위의 두 책에 있다. 캐럴은 기본 법칙의 시간 대칭성에 의거해 우주를 기술하는 상태 공간이 변하지 않는다고 생각한다.

  But if a space of states changes with time, the evolution clearly can't be information conserving and reversible. If there are more possible states today than there were yesterday, and two distinct initial states always evolve into two distinct final states, there must be some states today that didn't come from anywhere. That means the evolution can't be reversed, in general. All of the conventional reversible laws of physics we are used to dealing with feature spaces of states that are fixed once and for all, not changing with time. The configuration within that space will evolve, but the space of states itself never changes. (p. 293)

상태 공간이 변하지 않는다면 왜 우주 초기에 엔트로피가 작은지에 대한 설명이 필요하게 된다. 하지만 뮬러는 공간의 확장이 상태 공간을 증가시키므로 우주 초기에 엔트로피가 작은 것이 당연하다고 말한다. 

  The expansion of space meant that the matter was in a relatively low-entropy state, compared to what it could be. The creation of space meant that there was a lot of empty space for additional accessible states, for additional entropy. And the universe, only 14 billion years old, has not yet had a chance to occupy the most probable high-entropy state. This idea--that although entropy continues to increase, the maximum allowed value for the entropy of the universe increases even faster--may have been first articulated by David Lazer, a physicist at Harvard. (pp. 133-134)

빅뱅 이전에 시간이 존재하는지에 대한 합의가 이루어지지 않는 것처럼, 우주 초기에 엔트로피가 낮은 이유에 대해서도 물리학자들 사이에 합의가 이루어지지 않은 상황이다. 

물리학의 기본 법칙과 이에 따른 상태 공간과 정보의 보존에 집착하는 이들에게 우주 초기의 낮은 엔트로피는 미스터리이고 왜 그런지 설명해야 할 이유가 있는 일이다. 캐럴은 이를 설명하기 위해 우리 우주가 엄마 우주에서 생겨나는 아기 우주의 하나일 것이라는 모델을 만들어냈다. 스몰린에게 캐럴의 입장은 전형적 오류로 보일 것이다. 물리학의 기본 법칙은 고립계에 대한 연구를 통해 얻어낸 근사 법칙을 뿐이며, 이를 우주 전체에 적용할 수 있다는 보장은 어디에도 없기 때문이다. 

우리는 우주론의 백가쟁명 시대에 살고 있다. 과학은 불일치를 통해 발전하며, 지금 그러한 장면을 보고 있는 셈이다. 뮬러는 과학자들이 할 일이 결코 없어지지 않을 것이라고 말하는데(p. 135), 그의 말이 옳다. 적어도 한동안은. 

빅뱅 이전의 시간에 대한 의견

호킹의 의견과 같은 생각이 이 책에 나온다: 빅뱅 이전에는 공간이 없었듯이 시간도 없었다.

... If space began at the Big Bang, if space was created, maybe the same was true for time. Neither space nor time existed "prior" to the Big Bang; in fact, in this picture the word prior has no meaning. The question of what happened before time began is meaningless, because there was no before. It is like asking, What happens if you put two objects closer together than zero distance? What happens if you cool a classical object below absolute zero, so that its motion is slower than no motion at all? These questions can't be answered, because they make no sense. (pp. 132-133) 

시간의 화살을 설명하기 위한 다중우주

From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time (Paperback)
Sean Carroll / Plume / 2010년 10월

이 책에서 시간의 화살을 설명하기 위해 사용하는 핵심 주제는 엔트로피이다. 열역학 제2 법칙에 따르면 엔트로피는 감소할 수 없으므로, 우주의 엔트로피는 계속 증가하며 시간의 흐름을 낳는다. 이에 따라 우주 초기(빅뱅)의 엔트로피는 아주 작아야만 한다. 이를 과거 가설(Past Hypothesis)이라고 한다. 여기서 저자의 의문이 생긴다. 왜 우주 초기의 엔트로피는 그렇게 작은가?

엔트로피와 시간의 관계에 대한 많은 논의 후에, 마지막 장에서 저자는 다음과 같은 주장을 펼친다. 우주 초기의 낮은 엔트로피를 설명하기 위한 가장 그럴듯한 모델은 이렇다. 커다란 우주(엄마 우주?)에는 양자요동으로 인해 분기되어 급팽창해가는 아기 우주(baby universe)들이 있으며 우리 우주도 이런 아기 우주의 하나이다. 아기 우주는 급팽창이 진행되며 결국 엄마 우주로부터의 연결이 끊어진다. 엄마 우주에서 초기의 아기 우주가 어떻게 보일까에 대한 언급이 잠시 나오는데, 호킹 복사에 의해 아주 빨리 사라지는 미시 블랙홀과 같을 것이다(358 페이지).

이것이 저자가 표준 물리학(열역학, 양자역학, 상대성이론)을 전체 우주에 적용하여 얻은 결론이다. 물론 저자는 아기 우주를 포함한 다중우주가 여러 가능한 모델(예측prediction)의 하나일 뿐이라고 언급한다. 빅뱅 이전에도 우주가 존재한다는 점에서 리 스몰린의 우주론과 비슷한 점도 있지만, 본질적으로 다른 점이 있다. 저자는 우주의 상태 공간과 물리 법칙이 변하지 않는다고 가정한다. 하지만 스몰린은 이를 버려야 할 가정이라고 생각한다. 법칙이 변하지 않는다는 측면에서 우주의 미래는 본질적으로 결정되어 있다. 하지만 스몰린이 생각하는 미래는 그렇지 않고 열려 있다.

시간에 대한 물리학의 표준적 관점을 말할 때 많이 언급되는 책이며, 이에 대해 알고자 하는 분들에게 추천한다. 사실 이 책에서 내게 제일 흥미로웠던 부분은 타임머신의 의미와 가능성에 대해 생각해 보는 6장이었다.