물리학적 시간의 난해함과 서정적 시간의 감수성을 모두 내보이는 물리학자의 시간론

시간 - 도미노 총서 5
에티엔 클렝 지음,박혜영 옮김 / 영림카디널 / 1997년 10월

프랑스의 물리학자이자 과학 철학자인 에티엔느 클랭(Étienne Klein; 1958- )이 쓴 시간을 주제로 한 [시간]이란 책이다. 저자는 항상 사용하는 개념들이 가장 큰 수수께끼를 내포하고 있음을 지적한다. 시간은 난점(難點)이다, 그 이유는 뒤로 물러서서 볼 수 없기 때문이다. 우리에게 시간의 밖이란 존재하지 않는다. 또한 시간을 잡을 수도 없다. 전 우주 어디에서나 동일하게 적용되는 절대적 의미의 시간은 없다는 말을 한 이탈리아의 물리학자 카를로 로벨리도 표준으로서의 시간, 사회적 약속으로서의 시간은 존재한다고 말했다.

시간은 우리가 오감(五感)으로 느낄 수 있는 물질이 아니다. 저자는 시간은 자명하면서도 만질 수 없고, 내용이 풍부하면서도 재빨리 사라져 버리고, 친숙하면서도 신비스러운 것이라 말한다. 물리학자들의 말대로 시간이 화살표 방향으로 흐른다 하더라도 그것은 여전히 발견할 수 없는 대상일 뿐이다. 저자는 흥미로운 말을 한다. 물리학자들은 늘 시간을 제거하려고 한다는 것이다. 시간은 가변적이며, 불안정하고, 덧없는 것인 반면 물리학은 변화를 벗어난 관계들을 추구하기 때문이다. 물리학은 움직이지 않는 것, 변하지 않는 것 또는 적어도 비가역적인 것을 열망한다.

물리학을 연구하는 많은 사람들은 물리학의 목표가 일시적인 현상들에서 출발하여 영원한, 다시 말해 시간에서 해방된 법칙들을 세움으로써 변화하는 것을 항구적인 것으로 귀결시키는 데 있다고 믿는다. 진리를 추구하는 자라면 누구나 시간을 초월하는 것을 겨냥하지 않는가? 저자는 물리학 내에서조차 시간은 다양한 양상을 띤다고 말한다. 단적으로 시간은 흐르지 않는다고 말하는 카를로 로벨리처럼 루프 양자중력 이론 진영에 속하지만 시간은 실재한다고 말하는 리 스몰린의 차이가 대표적이다.

저자는 물리학자 아서 에딩턴이 말한 시간의 화살은 사랑의 욕망을 상징하지 않고 시간의 가차 없고 돌이킬 수 없는 흐름에 대한 인간의 감정을 상징한다고 말한다. 주어진 시간 속에서 어떤 두 사람도 시간을 꼭 같이 계산하지는 않는다. 저자는 20세기 프랑스 철학자 블라디미르 장껠레비치 이야기를 한다. 그는 이상하게도 시간은 텅 비어 있을수록 더욱 우리에게 짐스럽게 여겨진다는 사실에 주목했다. 이 사실만으로도 이러한 시간은 역학의 일반 대상들과 구별된다.

권태로운 시간은 끝없이 길게 느껴지며, 초조한 시간은 천천히 흘러가나 밀도가 높고, 기쁨의 시간은 강렬하고 마치 정지한 것 같다는 것은 말할 필요도 없다. 장 껠레비치의 이야기는 할 일이나 의미로 채워지지 않은 텅 빈 시간은 우리에게 자유를 주기보다 오히려 권태라는 무거운 감정으로 다가온다는 사실을 염두에 두면 알 수 있는 말이다. 아무것도 할 것이 없을 때 우리는 시간의 흐름을 날것 그대로 느낀다. 이는 인간에게 견디기 힘든 고통이나 불안이 되기도 한다.

공간의 위상 기하학과는 반대로 시간의 위상 기하학은 대단히 초라하다. 그것에는 단지 두 가지 변이(變異) 밖에 없다. 즉 직선과 원 다시 말해서 앞으로 나아가는 선적인 시간과 고리 모양으로 맞물리는 순환적 시간이다. 후자는 원의 마술적 특성에 힘입어 그리스인들(스토아 학파 철학자들)의 영원회귀 신화에서처럼 신화 속에서 많이 나타난다. 저자에 의하면 오늘날 물리학은 고통스럽게도 그리스 사상의 두 기둥을 중심으로 양 갈래로 나누어져 있다. 한편에는 존재와 근본적인 부동성을 주장한 철학자 파르메니데스가 있고 다른 편에는 그와 동시대인으로서 변전(變轉)과 유동성(流動性)을 주장한 철학자 헤라클레이토스가 있다.

저자는 뉴턴, 아인슈타인, 프리고진의 시간론을 말한다. 뉴턴은 우주 전체에 하나의 거대한 시계가 똑같이 흘러간다고 보았다. 관찰자의 상태나 물질의 존재와 상관없이 시간은 독립적으로 흐른다는 것이다. 아인슈타인은 절대적 시간의 개념을 깨뜨리고, 시간은 관찰자의 운동 상태(속도)와 중력의 크기에 따라 다르게 흐른다는 것을 증명했다. 물론 아인슈타인에게도 시간은 이미 완성되어 있는 4차원 시공간의 한 축일 뿐이다.

프리고진은 뉴턴과 아인슈타인의 물리 법칙이 자연계의 '가역성(되돌릴 수 있음)'만 설명하는 반쪽짜리 과학이라고 비판했다. 그는 열역학 제2법칙(엔트로피 증가)에 기반하여, 자연계는 에너지를 소비하며 스스로 새로운 질서를 만드는 산일(散逸) 구조를 가지고 있음을 밝혀냈다. 우주는 되돌릴 수 없는 한 방향으로만 진화하며, 이를 통해 물리 법칙 안에 시간의 화살과 우주의 창조성을 복원시켰다.

역학(力學)은 자연이 행하는 모든 것을 똑같은 과정에 따라 해체할 수 있다. 가령 종이 위에서 항성들은 거꾸로 돌 수도 있다는 사실을 보면 알 수 있다. 뉴턴의 물리학에서 동시성의 개념은 그 어떤 원칙상의 혼란도 야기하지 않는다. 두 명의 실험자는 그들의 시계를 동시에 작동시켜 동시성을 갖게 할 수 있다. 단지 빛으로 신호를 교환하기만 하면 된다. 뉴턴에 의하면 빛은 무한 속도로 퍼져가기 때문에 이 신호는 순식간에 이루어진다. 그 다음에는 무슨 일을 하든지 두 실험자는 시계의 동시성이 그대로 유지 됨을 확인하여 그들의 개인적 시간이 아닌 보편적이며 공통된 시간을 창조할 수 있다.

누구에게나 똑같은 단 하나의 시간이 존재하는 것이다. 이러한 뉴턴의 시간이 절대적이고 보편적이라고 하더라도 거기에는 밀도와 현실성이 결여되어 있다. 이 시간은 영원하며 흔들리지 않는 냉정한 시간이므로 우주 속에서 일어나는 모든 일과 무관하게 독립적으로 항상 동일하게 흘러간다. 미시방정식(물리학의 분자·원자 수준의 법칙)은 시간 반전 대칭성을 가지기 때문에 가역적이고, 거시방정식(열역학이나 유체역학 등)은 확률적 통계와 엔트로피 법칙이 작용하기 때문에 비가역적이다. 거시방정식은 미시방정식에서 비롯된다.

프리고진은 시간이 발명품이 아니면 아무것도 아니라는 베르그송의 경구(驚句)로부터 영향을 받았다고 말했다. 저자는 이에 발명품이란 망상이라는 의미가 아니라 새로운 창조물이라는 의미라고 설명한다. 베르그송이 시간은 발명품이거나 아무것도 아니라고 말한 이유는 그가 보기에 진짜 시간이란 매 순간 이 세상에 단 한 번도 존재한 적 없는 절대적인 새로움을 만들어내는 창조의 과정이기 때문이다. 이것이 바로 베르그송 철학의 정수인 [창조적 진화의 핵심 개념이다.

저자는 일리야 프리고진이라면 시간의 화살표는 없지만 거시적 층위에서는 시간의 한 화살표가 있다는 환상이 생긴다는 말 대신 시간의 화살표는 있지만 미시적 층위에서는 시간의 화살표가 없다는 환상이 생긴다고 말할 것이라 말한다. 프랑스의 수학자 앙리 푸앵카레도 통계역학의 기초를 다지던 루트비히 볼츠만의 H-정리(H-theorem)와 거시적 비가역성(시간의 일방통행성)에 대해 강력한 논리적 이의를 제기했다. 물론 저자가 말했듯 푸앵카레의 영원회귀는 주기가 너무 길어서 사실상 비가역성과 맞먹는다.

저자는 중력과, 오늘날 훌륭한 중력이론인 듯 여겨지는 아인슈타인의 일반상대성이론에 대해서도 논한다. 그의 체계에서 중력은 우주의 서로 다른 물질적 내용물 사이에 작용하는 힘이 아니라 오히려 우주 자체의 기하학적 속성이다. 저자는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서의 중력을 언급하며 무게를 갖는다는 것은 자기 시간을 갖는 또 다른 방식이 된다고 설명한다. 저자의 말은 물질이 존재하며 가지는 무게(중력)라는 속성이 단순히 아래로 떨어지는 성질이 아니라 그 존재가 우주 속에서 시간과 관계를 맺는 독특한 방식을 결정한다는 의미를 갖는다.

무게가 없다면(빛처럼 질량이 없다면) 시간의 흐름을 느끼지 못한 채 시공간을 최고 속도로 통과하지만, 무게를 가짐으로써 비로소 자신만의 리듬으로 흐르는 시간 속에 머물게 되기 때문이다. 저자는 양자물리학의 원칙들과 일반상대성이론의 원칙들은 아직 모순 없이 양립할 수 없다는 말을 한다. 저자는 파동함수를, 서로 다른 여러 항들의 합이라 정의한다. 모든 물리적 체계를 모든 가능한 상태들의 합으로 설명하는 것은 중첩원리라 불리는 것의 직접적인 결과다.

합(+)의 형태로 중첩되어 있는 여러 개의 파동함수들 중에서 측정 후에 선택된 하나의 파동함수는 실제로 측정된 에너지의 값과 일치하므로 그대로 존속한다. 이때 우리는 파동함수가 측정에 의해 축소되었다고 말한다. 양자물리학에서 특정한 속성을 정확하게 정의하는 것은 다름 아닌 측정 그 자체다. 저자는 일반 상대성 이론과 양자역학은 나이도 같고 흔히 약혼 관계임에도 불구하고 마지못해 짝짓기를 하고 있다는 것은 누구나 아는 사실이라고 말한다. 저자는 시간이 개념의 보편성이란 없으며 시간을 중심으로 한 이론적 통일성도 없다고 말한다. 시간의 화살통의 목록은 작성했으나 우리가 본 것은 단지 화살의 동강들(열역학적, 우주론적, 양자적) 단편들일 따름이라고 말한다.

현상학자 후설은 미래는 기다림의 대상, 현재는 주의의 대상, 과거는 기억의 대상이라 말했다. 시간에 대한 베르그송의 생각은 양자물리학의 시간론과 잘 들어맞는다. 베르그송은 상대성이론은 비판했고, 양자역학은 긍정했다. 공간은 우리가 지닌 힘의 표시이자 그 증거이기도 하다.우리는 공간을 정리할 수도 있고 개조할 수도 있다. 공간 속에서 모든 방향으로 온갖 속도로 돌아다닐 수도 있으며 지그재그로 갈 수도 있고 공간의 외양과 형태를 수정할 수도 있다. 그러나 시간은 오히려 우리의 나약함의 표시이다.

시간은 우리가 어느 때나 마음대로 오갈 수 있는 산책 장소가 아니다. 시간은 유순하지 않다. 어떤 식으로든 우리는 시간을 마음대로 할 수 없다. 시간은 조금도 양보하지 않고 우리에게 자신을 강요한다. 시간은 서서히 조금씩 우리 모두를 거의 우리 자신도 모르는 사이에 약한 불로 파멸시킨다. 우리의 무능함을 상징하는 시간, 그것은 우리 인간 조건이 거역하지 못할 경계이다. 저자는 인간의 권한이 인간에 대한 저주가 되지 않도록 보장하려면 우리는 무엇을 해야 하는가? 묻는다.

저자는 어떤 생각들은 우리를 시간에서 벗어나게 하고 또 다른 생각 들은 우리를 시간으로 이끌어들인다고 말한다. 고엽이라는 샹송에 나오는 “낙엽이 무수히 쌓이네”라는 가사를 흥얼거리는 소리를 들으면 자기도 모르는 사이에 우리는 가슴을 찌르는 듯한 우수에 사로잡히게 된다고 말한다. 그때 시간은 텅 빈 허전함이 되며 우리를 가을의 블루스 속에 천천히 잠들게 한다. 가을은 언제나 무언가의 종말이어서 우리 자신의 종말을 환기시킨다.