‘시간‘이라는 신비

양자중력 이론을 연구하는 로벨리 교수의 최신작이다. 어찌하다 보니 그의 대중 과학책을 3권째 읽고 있는데, 그가 일급 물리학자임을 다시 한 번 실감한다. 교과서에 있는 내용을 그만의 시각으로 제시하며, 그의 연구분야인 양자중력 이론 연구를 통해 얻은 통찰을 유감 없이 보여주고 있다. 전작 <Reality is Not What It Seems>에서 상식으로는 이해할 수 없는 양자 세계에 대한 그의 이해를 보여주었다면, 이번 책에서는 그 중 '시간'이라는 주제를 떼어내 다채로운 지식을 전달한다. 고백하지만, 내용이 쉽지는 않다. 특히 인간 의식에 대한 부분이 그렇다. 

책은 3부분으로 이루어져 있다. 1부에서는 우리가 알고 있는 절대 시간(뉴턴에게 기인한다)의 미망을 깬다. 우주에 하나의 시간이 있는 것이 아니다. 시간은 질량 근처에서 느려지며, 빨리 운동해도 느려진다. 미시세계에서 시간의 방향성은 사라진다. '현재'라는 개념은 우리 주변에서만 통용되는 개념이다. 멀리 떨어진 별에서의 '현재'는 의미가 없다. 시간은 독립적으로 존재하는 것이 아니라 공간과 결합한 시공간이 된다. 2부에서는 시간이 '없는' 세상, 미시세계에 대한 양자중력 이론에 대해 논의한다. 3부에서는 그럼에도 불구하고 왜 우리에게 '시간'이 생겨나는지에 대해 얘기한다. 

과도한 단순화의 위험을 무릅쓰고 핵심 되는 메시지를 요약하면 다음과 같다.

- 시간은 자연(실재)의 핵심적 변수(요소)가 아니다. 미시세계를 기술하는 근원적 물리 방정식에 시간은 들어갈 필요가 없다. 즉, 극적으로 표현하면 '이 세상에 시간은 없다.' 이 부분을 따서 번역서는 <시간은 흐르지 않는다>로 제목을 삼았다. 엄밀히 얘기하면 시간이 있는데 흐르지 않는 것이 아니라, 본질적으로 시간은 없다.

- 그럼 우리가 겪는 시간은 무엇인가? 왜 시간이 흐른다고 우리는 느끼는가? 과거에서 미래로 시간이 흐름은, 우리의 무지, 우리 인식의 흐릿함(blurring)에서 나온다. 열역학에 따르면 자연은 엔트로피가 증가하는 방향으로 변한다. 이러한 변화를 엔트로피의 증가로 파악하는 것은 우리의 무지--미시상태를 완벽하게 파악할 수 없음--에 기인한 것이다. 우리 뇌는 엔트로피의 증가를 시간의 흐름으로 받아들인다(열적 시간thermal time). '시간'은 근원적인 것이 아니고 인간의 뇌가 만든 것이다. '시간'은 우주적 절대값이 아니고 우리의 관점이 투영된 것이다. 시간은 우주적이 아니라 인간적이다. 

그는 단순히 지식을 전달하는 물리학자가 아니다. 그만의 감성과 언어로 세상에 대한 그의 이해를 전달한다. 그가 왜 '시인詩人'이라는 말과 연관되는지 그 이유를 알겠다. 여러 생각할 거리를 준다는 점에서 최고의 책이라고 할 수 있다.

  This is the disconcerting conclusion that emerges from Boltzmann's work: the difference between the past and the future refers only to our own blurred vision of the world. It's a conclusion that leaves us flabbergasted: is it really possible that a perception so vivid, basic, existential--my perception of the passage of time--depends on the fact that I cannot apprehend the world in all of its minute detail? On a kind of distortion that's produced by myopia? Is it true that, if I could see exactly and take into consideration the actual dance of millions of molecules, then the future would be 'just like' the past? Is it possible that I have as much knowledge of the past--or ignorance of it--as I do of the future? Even allowing for the fact that our perceptions of the world are frequently wrong, can the world really be so profoundly different from our perception of it as this?

  All this undermines the very basis of our usual way of understanding time. It provokes incredulity, just as much as the discovery of the movement of the Earth did. But, just as with the movement of the Earth, the evidence is overwhelming: all the phenomena that characterize the flowing of time are reduced to a 'particular' state in the world's past, the 'particularity' of which may be attributed to the blurring of our perspective. (영국판 pp. 31-32)

  Both the sources of blurring--quantum indeterminancy, and the fact that physical systems are composed of zillions of molecules--are at the heart of time. Temporality is profoundly linked to blurring. The blurring is due to the fact we are ignorant of the microscopic details of the world. The time of physics is, ultimately, the expression of our ignorance of the world. Time is ignorance. (p. 123)

  Job died when he was 'full of days'. It's a wonderful expression. I, too, would like to arrive at the point of feeling 'full of days', and to close with a smile the brief circle that is life. I can still take pleasure in it, yes; still enjoy the moon reflected on the sea, the kisses of the woman I love, her presence that gives meaning to everything; still savor those Sunday afternoons at home in winter, lying on the sofa filling pages with symbols and formulae, dreaming of capturing another small secret from among the thousands that still surround us... I like to look forward to still tasting from this golden chalice, to life that is teeming, both tender and hostile, clear and inscrutable, unexpected.... But I have already drunk deep of the bittersweet contents of this chalice, and if an angel were to come for me right now, saying, 'Carlo, it's time,' I would not ask to be left even long enough to finish this sentence. I would just smile up at him and follow. 

  Our fear of death seems to me to be an error of evolution. Many animals react instinctively with terror and flight at the approach of a predator. It is a healthy reaction, one that allows them to escape from danger. But it's a terror that lasts an instant, not something that remains with them constantly. Natural selection has produced these big apes with hypertrophic frontal lobes, with an exaggerated ability to predict the future. It's prerogative that's certainly useful but one that has placed before us a vision of our inevitable death, and this triggers the instinct of terror and flight. [...] Everything has a limited duration, even the human race itself. ('The Earth has lost its youthfulness; it is past, like a happy dream. Now every day bring us clear to destruction, to desert...', as Vyasa has it in the Mahabharata.) Fearing the transition, being afraid of death, is like being afraid of reality itself; like being afraid of the sun. Whatever for? (pp. 177-178)

  And it seems to me that life, this brief life, is nothing other than this: the incessant cry of these emotions that drive us, that we sometimes attempt to channel in the name of a god, a political faith, in a ritual that reassures us that, fundamentally, everything is in order, in a great and boundless love--and the cry is beautiful. Sometimes it is a cry of pain. Sometimes it is a song.

   And song, as Augustine observed, is the awareness of time. It is time. It is the hymn of the Vedas that is itself the flowing of time. In the Benedictus of Beethoven's Missa Solemnis, the song of the violin is pure beauty, pure desperation, pure joy. We are suspended, holding our breath, feeling mysteriously that this must be the source of meaning. That this is the source of time.

  Then the song fades and ceases. 'The silver thread is broken, the golden lantern is shattered, the amphora at the fountain breaks, the bucket falls into the well, the earth returns to dust.' And it is fine like this. We can close our eyes, rest. This all seems fair and beautiful to me. This is time. (pp. 181-182)

모험 에레키테 섬

츠루타 겐지라는 일본인 작가의 만화이다. 극찬을 받길래 찾아 보았는데, 결론부터 말하면 기대보다 못했다. 현재 1, 2권이 나와 있는데, 2권은 1권 출간 후 4년 6개월만에 나왔다(2018년 7월 국내 출간). 과작으로 알려진 작가이지만 한 권 한 권이, 한 컷 한 컷이 예술이라나... 컴퓨터가 아닌 펜으로 직접 그리고... 뭐 칭찬이 이해 가는 측면이 있기는 하다. 일본인 특유의 디테일에 대한 집착도 보이고. 미야자키 하야오의 <붉은 돼지>처럼 비행기--특히 복엽 수상기--가 중요한 테마이기도 하고, 여자 주인공이 나온다는 점도 일본 만화의 한 전통을 이어가는 것처럼 보인다. 내용을 떠나, 읽으면서 생각했던 불만은 종종 비행기와 사람의 비율이 맞지 않아 보인다는 것이다. 다음은 그 예이다.

맨 밑의 그림을 보면 비행기의 크기에 비해 사람이 너무 작게 그려져 있다. 다음은 인터넷에서 찾은 동일한 비행기(영국의 소드피시Fairey Swordfish)이다. 아무리 일본인의 체구가 작다고 해도 비율이 틀렸다고 볼 수밖에 없다.

소드피시 비행기, 특히 수상기 버전에 대한 관심이 생겼다는 것이 이 책을 읽고 남은 것이랄까, 그 외에는... 참, 2권도 스토리의 종결이 아니다. 3권이 또 나와야 하는데 언제 나올지는 아무도 모른다.

‘에너지‘에 대해

막스 플랑크 평전 - 근대인의 세상을 종식시키고 양자도약의 시대를 연 천재 물리학자
에른스트 페터 피셔 지음, 이미선 옮김 / 김영사 / 2010년 4월

물리학에서 가장 중요한 개념 중 하나인 에너지란 개념이 태어난 역사적 배경과 이해에 대해:

  에너지와 열은 19세기 물리학의 두 가지 중요한 주제였다. 에너지 보존 법칙에서 드러나는 둘의 상호작용은, 19세기 중반 수십 년간의 투쟁이 있은 후에야 비로소 법칙으로서 적합하게 공식화될 수 있었다. 교과서에는 베를린의 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann von Helmholtz, 1821~1894)가 이 법칙의 창시자로 명기되어 있다. 플랑크도 그의 강의를 들었다고 한다. 

  ‘에너지(그리스어로 에네르게이아energeia는 ‘활동’을 의미한다)’라는 단어는 1807년 이전의 물리학에는 등장하지 않는다. 게다가 처음에 이 말은 오랫동안 허망한 존재였다. 플랑크와 동시대인들이 비로소 그 존재를 부각시키고, 에너지 안에서 불변하며 그 자체로 존재하는 절대적인 양을 발견했다.

  플랑크는 왜 에너지에 그토록 열광했는가? 에너지는 다른 여건들로부터 분리되어 있고, 무조건적인 절대성의 형태로 등장한다. 그럼으로써 에너지는 인간과 명백하게 떨어져 있고, 인간은 에너지에 관여할 수 없다. 에너지 보존 법칙에 따르면, 에너지는 생산되지도 사라지지도 않는다. 인간은 단지 에너지를 하나의 형태에서 다른 형태로 전환시키는 능력을 가졌을 뿐이다. (28~29 페이지)

  ‘에너지’는 우리가 관찰하고 있는 외부세계에서 나오는 것이 아니다. 따라서 일반적으로 말하듯 경험적 질량이 아니다. 에너지는 인간의 내면세계에서 발생하며, 우리가 관찰된 것에 질서를 부여할 때 사용하는 하나의 개념일 수도 있다. 

  철학은 인간이 경험하지 않고도 사용할 수 있는 개념들, 예를 들면 시간과 공간 같은 개념들을 안다. 그리고 철학은 그 구상이 도대체 어디에서 왔는지는 말하지 않은 채, 그저 이마누엘 칸트의 제안에 따라, 이런 개념들을 ‘선험적(아 프리오리a priori)’이라고 말한다. 심리학은 이 부분에서 인간에게는 ‘공통의 무의식’이 있다고 말한다. 선험적이라고 하는 근원적인(원형적인) 관념들은 의식적으로 접근하기 전에 이미 무의식 안에 들어 있다는 것이다. 이런 의미에서 에너지란 경험적인 개념이 아니라 원형적인 개념이라고 할 수 있으며, 우리는 바로 이 원형적인 개념을 갖고 일을 수행한다. (32 페이지)

  ... 제1차 세계대전이 끝나갈 무렵, 독일의 여성 수학자 에미 뇌터(Emmy Noether, 1882~1935)...는 “주어진 물리계가 수학적으로 표현 가능한 대칭성을 갖고 있으면, 그 계에는 보존되는 양이 반드시 존재한다”는 사실을 증명했다. (34페이지)

  ...자연의 법칙들을 서술할 때 사용하는 공식들은 시간의 축이 바뀌어도 대칭적이다. 그리고 바로 이러한 특성, 즉 ‘시간의 동질성’이라고도 알려진 이런 특성 때문에 에너지는 반드시 보존된다. (35페이지)

과학의 대중화

신의 입자를 찾아서 - 양자역학과 상대성이론을 넘어
이종필 지음 / 마티 / 2015년 4월

'개정판 서문'을 보면 이런 얘기가 있다. 공감 가는 부분이 많아 옮긴다. 

  이 책을 낸 이후로 나는 다른 책들도 냈고 여기저기 투고도 했으며 대중강연도 많이 다녔다. 그때마다 내가 항상 듣던 요구사항은 "초등학생도 이해할 수 있게 설명해 주세요."였다. 2013년 10월, 그해 노벨상 수상자로 피터 힉스와 프랑수아 엥글레르가 유력했을 때는 한 방송사에서 (이들이 수상한다는 가정하에) "이번 수상의 의미를 한 문장으로 요약해주세요."라고 주문했었다. 2014년 봄 남극의 전파망원경이 태초의 중력파를 검출했다는 발표가 나왔을 때는 "유치원생도 이해할 수 있게" 설명해달라는 방송사도 있었다[*].

  처음에는 나도 이런 요구에 순순히 응했고 내 나름의 최선을 다했다. 그러나 머지않아 여기에는 명확한 한계가 있음을 느끼기 시작했다. 언제부터인가 나는 '초등학생'을 요구하는 분들에게는 사도세자가 뒤주에 갇혀 죽은 이유를 초등학생이 과연 이해할 수 있는가 하고 되묻기 시작했다. '한 문장'을 요구하는 분들에게는 조선왕조실록을 A4 용지 한 장으로 요약할 수 있느냐고 항변했다. 이 세상에는 초등학생이 이해할 수는 없어도, 또는 한 문장으로 요약할 수는 없어도 지성인으로서 꼭 알아야 할 가치 있는 것들이 무수히 많다. 나는 현대 물리학의 많은 내용이 여기에 해당한다고 생각한다.

  나의 이런 고민에 한 줄기 빛을 던져 준 사람이 있었으니, 미국 스탠퍼드 대학의 레너드 서스킨드였다. 서스킨드는 『블랙홀 전쟁』에서 현대 물리학이 구축될 당시 세기의 천재들조차 생각의 회로를 다시 배선했어야 할 정도로 큰 낭패감을 맛보았다고 썼다. 『블랙홀 전쟁』을 번역하면서 나는 '재배선rewire'이라는 단어를 잊을 수가 없었다. 인류 진화의 역사는 짧게 잡아도 10만 년이 넘고 길게 잡으면 300만 년을 오르내린다. 그렇게 기나긴 세월에 걸쳐 형성된 사고의 방식이 자연의 근본 질서를 이해하는 데에 적합하지 않다는 것을 깨달은 것이 겨우 100여 년 전이다. 나는 이것이 현대 물리학의 가장 큰 가치라고 생각한다. 자연의 이치를 이해하려면 그 오랜 진화의 압력을 거슬러 억지로 생각의 회로를 바꿔야 한다. 천하의 아인슈타인조차 실패했던 일이다. 당연히 어려울 수밖에. 현대 물리학은 쉽지 않다. 초등학생은 이해할 수 없다. 한 두 문장으로도 도저히 요약할 수 없다. 바로 그 이유 때문에 현대 물리학은 엄청난 지적 고통을 감내하고서라도 배울 가치가 있다. (8~9 페이지)

현대 물리학까지는 아니어도 과학을 알면 세상을 훨씬 깊게 바라볼 수 있다. 현대 물리학까지 알면야... 학교에서 기초적 과학을 배움에도 불구하고 왜 과학을 이렇게 어려워하게 되었는지, 왜 문과 출신은 졸업하고 나면 과학적 지식은 모두 잊어버리는 백지 상태가 되는지, 반드시 고민이 필요한 부분이라고 생각한다. (아울러 기자들의 무지와 뻔뻔함도...)

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[*] 나중에 데이터를 잘못 해석한 것으로 밝혀졌다. 

개봉을 기다리는 영화 2편

 

브래드 피트 주연의 'Ad Astra'가 9월 19일 개봉 예정이다. ad astra란 라틴어인데 "to the stars"란 뜻을 가지고 있다. ad infinitum이 "to infinity"란 뜻을 가지고 있는 것과 같은 맥락이다. 

'인터스텔라'와 '그래비티'를 재미있게 보았었는데, 평을 보면 이 두 영화를 합친 것 같은 느낌이다. 과연 그럴지 개봉을 고대 중이다. 다음은 영화의 예고편 중 하나.

그 다음 고대하고 있는 영화는 톰 크루즈 주연의 '탑건: 매버릭Top Gun: Maverick'이다. 원편 '탑건'이 1986년 개봉이었고 이 영화는 2020년 개봉 예정이니 자그마치 34년만의 후속편인 셈이다. 

풋풋했던 톰 크루즈의 탑건 출연 당시 모습. 그때는 그저 얼굴만 잘 생긴 배우 중의 하나처럼 보였지만, 점점 그가 좋아지고 있다. 지금은 그의 출연작이라면 믿고 본다. 아직 만나볼 때까지 많이 기다려야 하는 것이 아쉽다. 다음의 예고편으로 아쉬움을 달랜다!