시간여행을 위한 최소한의 물리학

시간여행을 위한 최소한의 물리학 - 세계적인 과학 커뮤니케이터가 알려주는 시간에 대한 10가지 이야기
콜린 스튜어트 지음, 김노경 옮김, 지웅배 감수 / 미래의창 / 2023년 12월

시간 여행은 가능할까

이 책의 지은이 콜린 스튜어트라는 꽤 독특한 과학 커뮤니케이터(과학지식의 소통자,전달자, 해설자)의 간결하면서도 이해하기 쉬운 설명은 과학이론의 첫 자만 들어도 울렁증을 느끼는 이들에게 키미테(멀미약, 귀밑에 붙이는 패치)와 같은 효과를 준다. 기실, 어려운 내용을 알기 쉽게 설명하는 것도 출중한 능력이다. 특히 커뮤니케이터 일을 하는 이들에게는...우주의 위대한 신비, 우리가 사는 지구가 속한 안드로메다 이런 게 은하계에 3조 개가 있다면 과연 상상할 수 있을까? 지구는 138억 년에 빅뱅으로 생겨나고 계속 팽창하는 모양이다.

이 책은 10장으로 구성됐다. 시간의 탄생과 지구 그리고 우주의 나이(1, 2장)와 빛의 속도와 엔트로피 법칙(3, 4장), 상대성이론과 시공간개념(5장), 시간 지연과 블랙홀의 특이점 웜홀과 타임머신, 블록 우주와 시간의 존재(6-10장)를 다룬다.

이 책의 열쇳말을 ‘시간’이다. 영화<백투더퓨처>(이른바 벽뚫고퓨처) 영화처럼 과거로 돌아가는 타임머신 역시 시간 여행에 관한 인간의 상상력이 만든 것이다. 시간은 앞으로 갈 뿐 뒤로는 갈 수 없다(엔트로피 법칙). 만약 과거로 돌아가게 된다면, 자, 히틀러를 죽이기 위해 과거로 돌아가 오스트리아의 한 소년을 죽였다 치자, 그러면 현실의 나는 존재할 수 있을까? 이를 할아버지 역설 혹은 타임머신의 역설이라고 하는데, 시간을 거슬러 올라가 어린 시절의 할아버지를 죽이면 아버지는 물론 나도 태어나지 못하게 되는데, 그런데도 시간에 관한 이야기는 꽤 매력적이다. 열역학, 상대성이론, 양자역학이 우주 신비 현상을 이해하는데 어떻게 활용될까?,

지구 시계는 우주의 시계로

지구의 공전과 자전으로 1년과 365일 기준은 외부의 영향으로 흔들릴 수 있다. 2011년 후쿠시마 지진으로 시간이 빨라지기도 한 것처럼 말이다. 불안한 지구 시계는 1967년 국제도량형위원회 제13차 공식회의에서 우주를 기준으로 시간을 정하기로 한다.

1초의 현대적 정의는 세슘-133 원자가 바닥 상태에 있는 2개의 초미세 에너지 준위 사이를 전이할 때 나오는 빛이 91억 9,263만 1,770번 진동하는 데 걸리는 시간이다. 상상하기 어려운 숫자다. 도대체. 그래서 시간은 빛의 속도란 말을 쓴다. 지금 우리가 보는 것은 몇 초전의 과거다. 전달이 시작되는 순간(빛의 속도는 초당 30만 킬로미터), 과거이니, 불과 1미터 앞에서 일어난 뭔가일지라도 시간이 존재하는 한 우리는 절대 현재를 볼 수 없게 된다는 것이다.

절대 시공간개념을 무너뜨린 상대성이론

고전역학(뉴턴의 만류 인력의 법칙, 중력이론)은 지구의 중력 때문에 사과나무에서 사과가 떨어지게 되고, 지구는 태양이 끌어당기며, 달은 지구의 중력으로 끌려왔다 벗어났다 하면서 바다의 만조, 간조 현상을 일으킨다고. 그건 그렇다 치자. 아인슈타인의 이론은 시공간이 휘어지는 결과가 중력이라고, 시공간이 구부러지고 형성되고 왜곡될 수 있다면, 공간과 시간은 서로 밀접하게 연결되어있어 공간이동이 가능하다면 시간 이동도 가능하지 않을까, 시간 여행의 가능성이 열린다.

시간 지연 효과

우리가 늘 경험하고 있는 현상이자 효과이다. 단지 우리가 느끼지 못할 뿐, 자동차의 GPS의 예를 보자. 인공위성에서 차량으로 핸드폰으로 보내는 신호, 한 번에 여러 개의 위성을 사용하여 신호가 돌아오는 시간을 비교하면 GPS가 우리의 위치를 정확하게 찾아낼 수 있다. 위성에는 원자시계가 탑재되어 있어야만 신호가 도착하는 데 걸리는 시간을 측정할 수 있다. 시간 지연은 빨리 감기 버튼을 눌러 정상 재생 속도보다 빨리 돌리는 효과, 즉 미래를 향한 시간으로 단축할 수 있지만, 과거로 돌릴 수는 없다. 이것이 한계요 딜레마다.

블랙홀의 툭이점과 양자물리학, 상대성이론의 충돌 등, 양자물리학과 상대성이론은 서로 어울리지 않는다. 두 이론을 양자 중려기 이론으로 조화롭게 통합하는 일은 물리학계에서 전반적으로 가장 해결하고 싶은 숙제인 동시에 가장 어려운 문제이기도 하다.

두 이론이 조화하기 어려운 원인의 핵심은 매끄러움에 대한 근본적인 불일치 때문이다. 시공간은 매끄럽고 연속적인 구조이어야 한다. 반면 양자물리학은 모든 것은 비연속적인 덩어리들로 이루어져 있다. 아무튼 이 책은 “시간의 탄생과 시간의 존재”에 관하여 우리에게 새로운 인식기회를 가져다주었다. 새롭거나 새로운 이란 표현보다는 그저 무덤덤하게 무관심하게 바라보던 “시간”은 과거, 현재, 미래의 개념도 무의미하다.

<출판사에서 보내준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다>