시간은 무엇일까

모든 순간의 물리학 - 우리는 누구인가라는 물음에 대한 물리학의 대답
카를로 로벨리 지음, 김현주 옮김, 이중원 감수 / 쌤앤파커스 / 2016년 2월

 유명한 카를로 로벨리의 책으로 그의 책들 중 가장 얇기에 처음으로 골라봤다. 집에 몇 권이 더 있는데 정독해야 겠다는 생각이 든다. 일단 책이 매우 쉽다. 칼 세이건 처럼 물리학의 과학의 어려운 현상이나 법칙들을 매우 인문학적으로 썼단 느낌이 든다. 그래도 테마별로 과학적 사실을 다루는데 가벼워 읽기가 좋았으나 사실 내용은 무거운 것이다.

 아인슈타인은 1905년 과학잡지사 '물리학 연보'에 논문 세 편을 게재한다. 하나는 원자가 실제로 존재함을 증명한 것이고 다른 하나는 양자역학의 장을 여는 내용, 그리고 상대성 이론에 관한 것이다. 상대성 이론에 관한 논문은 발표와 동시에 찬사를 받았으나 중력과 논리적으로 충돌하여 아인슈타인은 10년여의 보강 끝에 일반 상대성 이론을 발표하여 이 문제를 해결한다.

 상대성 이론이 위대한 이유는 매우 간단하기 때문이다. 이론이 등장하기 전 중력은 뉴턴에 의존했다. 뉴턴은 모든 물체는 한 쪽에서 다른 쪽으로 당기는 힘이 있다고 생각했다. 그리고 물체가 움직이는 공간이 텅빈 우주라 생각했고 어떤 힘이 가해져 이동 경로를 휘게 만들지 않는 한 그러한 공간에서 물체는 똑바로 직선으로 이동한다 생각했다. 하지만 그 중력이 왜 생기는지 그 공간은 무엇으로 이뤄지는지까지 나아가지는 못했다.

 패러데이와 맥스웰이 전자기 장 이론을 확립하며 차가운 뉴턴의 공간에 전자기 장이 추가되었고 아인슈타인은 이에 영향을 받아 중력의 범위가 미치는 중력장이란 개념을 생각해냈다. 다만 중력장은 전자기장처럼 전자기 파로 그 범위가 확산되는게 아니라 중력장 그 자체가 공간이란 생각이 매우 놀라웠다. 이로 인해 공간 자체도 물질 같은 개념이 되어버렸고 그래서 공간이 뒤틀리거나 수축 확장한다는 생각이 나올 수 있었다.

 실제로 질량이 많은 별 하나로 인해 공간이 휘게 되어 주변의 행성이 별 주위를 공전하는 것이고 빛은 직진하다가 방향을 틀게 된다. 시간도 곡선처럼 휘어져 중력이 약한 곳에서는 시간이 빠르게 흐르고 중력이 강한 곳에서는 시간이 느리게 흐른다. 

 양자는 더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위다. 광자는 빛의 단일 양자이다. 이처럼 물리량에 더 이상 쪼갤 수 없는 최소단위가 있다는 생각은 양자역학이 받아들여지는데 매우 중요한 역할을 했다. 왜냐하면 양자역학의 초기만 해도 에너지를 연속적인 변화로 생각했기에 물체로 취급하는 것이 어려워 생각의 발전이 힘들었기 때문이다. 

 닐스보어는 원자속 전자 에너지도 빛 에너지처럼 양자화된 일정한 값만 취할 수 있고, 무엇보다 전자들이 특정한 값만을 허용하는 원자궤도가 있는 한 다른 원자 궤도로 점프만 할 수 있으며, 점프를 하는 동안 광자를 흡수, 방출한다는 사실을 밝혀냈다. 하이젠베르크는 전자가 어느 곳에서나 존재하지 않으며 그저 다른 무언가가 전자를 봐줄 때, 무엇인가와 상호작용을 일으킬 때만 전자가 존재한다고 생각했다. 전자가 어디에서 나타날지는 우발적이고 예측이 불가능하며 그저 확률적으로 가능성만을 계산할 수 있다고 보았다. 그래서 양자물리학에서는 물리계에서 어떤 현상이 일어나는지에 대한 설명은 불가능하고 한 물리계가 다른 물리계에 어떻게 인지되는지 설명하는 것이 가능하다고 말한다. 현실은 상호작용으로써만 설명이 된다는 것이다. 

 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 쿼크로 구성된다. 빛은 광자로 구성되고 양성자와 중성자를 강하게 붙어 있게 하는 것이 글루온이다. 즉, 우주는 전자, 광자, 글루온, 쿼크로 구성되는 셈이다. 표준모형은 우리가 세상을 설명하는 가장 좋은 수단이다. 가장 작은 것들을 설명하는 표준모형은 매우 복잡하기에 아직 불완전한 것으로 평가되지만 등장한 수십년간 많은 것을 설명하고 도전을 물리쳐왔다. 

 일반 상대성 이론과 양자역학은 서로 모순되는 면이 많다. 이를 해결하고자 하는 과학자들의 노력이 계속되어왔는데 카를로 로벨리는 루프양자중력이론을 제시한다. 일반 상대성 이론은 공간을 압축되거나 삐뚤어질 수 있는 역동적인 것으로 파악한다. 양자역학은 모든 종류의 장이 양자로 이뤄지고 미세한 과립구조라 물리적 공간 역시 양자로 구축되었다고 본다. 루프양자이론은 공간은 다른 것들처럼 역시 무한히 나누어지지 않으나 연속적이지 않고 공간 원자로 구성된다고 본다. 일반 원자핵보다도 수천억배는 작은 크기로 이들이 서로 고리로 연결되어 네트워크를 형성한다고 본다. 공간과 시간의 개념은 이로 인해 사실상 없는 것이며 시간의 흐름은 세상의 양자들간의 관계에서 만들어지는 것으로 생각한다.

 과거와 미래의 차이는 양자들간의 관계로 생성되는 것이기에 열이 있을 때만 과거와 미래의 차이가 발생한다. 열의 이동으로 인해 관계변화가 일어나기 때문이다. 그래서 열이 매우 강하게 아주 좁은 곳에 머물러 있다 전체적으로 퍼지고 요동치는 우주는 그 과정이 매우 역동적으로 일어났기에 지속적인 시간의 흐름이 있는 것처럼 여겨진다. 과거와 미래를 구분하는 기본적인 현상은 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동한다는 사실을 바탕으로 한다. 하지만 그것은 법칙이 아니다. 열의 이동은 역시 확률적인 것으로 뜨거운 원자가 찬 원자에게 에너지를 줄 가능성이 현저히 높기에 거의 그런 일만 발생하는 것이다. 이론적으로는 찬 원자가 뜨거운 원자에게 에너지를 줄 가능성도 있다. 블랙홀은 플랑크 별 상태로 압축된다. 플랑크 별은 원자만한 크기로 태양은 수명을 다하면 1.5km정도 크기의 블랙홀이 될 것으로 예상된다. 그리고 이후 시간이 지나면서 원자만한 크기의 플랑크별이 된다. 하지만 이후 다시 튕겨 올라 팽창하여 폭발하는데 이 과정이 재미있다. 블랙홀 내부는 매우 중력이 강하여 시간이 상당히 느리게 흐른다. 블랙홀이 폭발하여 되튀기는 과정은 내부에서는 엄청나게 빠를 것이다. 하지만 그 시간이 매우 느리기에 블랙혹의 되튀기는 과정은 외부에서 보기엔 매우 느리게 진행된다. 어쩌면 블랙홀은 상당수가 이미 되튀기는 과정중임에도 바깥에서는 평안하게 보일런지 모른다. 

 그렇게 생각해보면 우주의 빅뱅도 비슷했을지도 모른다는 생각이다. 빅뱅 이전 매우 좁은 영역에 말도 못한 에너지가 요동쳤으니 말이다. 물론 이건 물질이 아니었으나 중력도 없었을 것이라 생각하면 그 또한 아닐지도 모르겠다.