시간역행의 시나리오, 양자역학과 엔트로피

시간은 되돌릴 수 있을까 - 스티븐 호킹의 마지막 제자에게 듣는 교양 물리학 수업
다카미즈 유이치 지음, 김정환 옮김, 김범준 감수 / 북라이프 / 2024년 3월

시간은 되돌릴 수 있을까

이 책과 딱 어울리는 영화 2017년에 개봉된 <컨택트> 언어학자 루이스와 이론물리학자 이안이 외계에서 온 셸(비행선)을 타고 온 헵타포드(다리가 7개라는 뜻), 이들에게 시간은 어느 한쪽으로 흐르지 않는다. 과거, 현재, 미래를 한꺼번에 느낀다. 3,000년 후에 외계종족이 지구에 도움을 요청할 것이라고 그때 도와 달라며 그들의 언어를 선물로 주고 간다는 내용이다. 

우주론 연구자 지은이 다카미즈 유이치는 스티븐 호킹과 함께 3년 정도 일한 적이 있다. 마지막 제자(?)는 잘 모르겠지만, 아무튼 그가 이 책<시간은 되돌릴 수 있을까>라는 물음을 던지면서 교양 물리학의 수준이 한 단계 올라갔다고 하면, 호들갑일까?, 하지만, 다른 서적과 달리 아주 쉽게 썼다. 여기에 물리학(사물의 이치)을 이해하는 주요 이론 상대성이론과 양자역학을 특히 알기 쉽도록 말이다. 

이 책의 구성은 11장 체재로, 1~4장에서는 인류가 언제부터 시간을 인식하게 됐는지, 시간의 정체가 무엇인지, 그리고 상대성이론과 양자역학은 시간을 어떻게 이해하는지, 5장 엔트로피(혼돈, 난잡함)의 이해, 6장 시간은 정말 1차원일까?, 그리고 7장에서는 양자역학 이론과 엔트로피 등을 지속해서 연구하는 과정에서 양자 중력이론을 나오게 되고 로렐리는 시간은 존재하지 않는다는 생각마저 주장한다, 8장에서는 순환 우주의 가능성을 들여다보고, 9~11장까지 시간을 시작, 생명의 시간과 인간의 시간 등을 따져본다. 시간의 연속성은 환상일까? 등의 흥미로운 주제와 물리학의 개념을 잘 설명해주고 있다. 

적어도 물리학을 잘 모르는 무지한 이들에게는 우주의 신비 정도로 여겨졌던 것들에 관한 개념 정도를 이해할 수 있는 내용으로 짜여있다. 무지를 확인하는 순간이기도 하지만, 이제라도 알게 됨을 다행으로 여겨야 할 정도로.

시간을 되돌려, 과거를 바꾸면, 현재의 역사도 바뀔까?

아인슈타인이 주장하는 인과율에 따르면 한번 결정된 것은 과거로 가서 바꾸든 어쨌든 간에 결과는 달라지지 않는다는 것이다. 양자역학에서는 하이젠베르크의 “불확정성 원리”로 시간이 연속성을 의심하게 되니, 그럴수도 있다. 이렇게 두 이론은 대척점에 서있다. 시간은 되돌릴 수 있을까, 즉, 과거로 타임워프(광속 초속 30만 킬로미터의 속도)가 가능할까, 여기에 등장하는 물리학의 이론, 아인슈타인의 “상대성이론”과 하이젠베르크와 슈뢰딩거, 보어 등의 “양자역학” 이론으로 시간에 관한 기존 개념을 완전히 뒤엎었으니, 시간에 관한 사람들의 생각이 혼란을 겪게 된다. 여전히 시간은 미래 한 방향으로 흐른다고 여기는 사람이 많지만 말이다.

뉴턴(고전물리학) 시대 시공간은 절대 변하지 않는다는 믿음이 있었으나, 상대성이론은 실제 시공간은 쉽게 변하는 상대적임을 밝혀냈다. 아인슈타인의 상대성이론 중 특수 상대성이론으로 빛의 속도를 절대적 지위로 올려놓았고, “광속 불변 원리”를 확립했다. 중력이 시공을 일그러뜨린다는 일반 상대성이론으로 블랙홀을 예언했고, 스티븐 호킹 역시 이를 주장했지만 그의 사후에 블랙홀이 촬영됐다. 

양자 세계에서는 시간이 역행한다? 

러시아의 연구자 레소비크는 스위스, 미국 팀과 함께 양자컴퓨터(0.1. 중첩, 보통컴퓨터는 0.1이지만)를 이용해 진화 프로그램을 연구, 컴퓨터 위에 가상의 두 성(性)을 만든 뒤 각각의 성에서 물려받은 유전자를 교배, 여기에 몇 퍼센트 이하로 돌연변이가 일어나도록 설정해 자연계 유전자 집단의 움직임을 모델화한다. 이 과정에서 처음에는 정연했던 0과 1의 질서가 사라지고 혼돈 속으로, 그러다 어느 순간 다시 정연한 질서로 돌아오는 현상을 관측했다. 이른바 시간의 화살이 거꾸로 날아갔다는 의미로 시간 역행의 가능성을 보여주는 것이다. 이른바 엔트로피와의 관련성에서 멕스웰이 주장했던 도깨비(영향을 미치는 요소)의 부정과 긍정이 이어진다. 

시간의 역행 가능성 시나리오

미시세계 양자에서 일어나는 시간의 역행과 거시세계의 그것으로 나눠 볼 수 있다. 전자에서 시간 역행이 일어난다면 이는 시간과 에너지 중 어느 한쪽이 확정되면 한쪽은 불확정성 관계이기 때문이다. 소립자를 개별적으로 보면 시간이 거꾸로 흐르는 것도 있지만, 많은 소립자가 모여 거시적인 계가 되면 개별적인 시간 역행의 효과는 무시되고, 결과적으로는 시간은 한 방향으로만 흐르게 된다. 그 밖의 것들, 파인만 도형, 응축, 블랙홀이 만들어 내는 시간의 역행 등 아직도 많은 아이디어와 관련 논의가 진행 중이다. 

<출판사에서 보내준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다>