시간의 화살, 물리학 이야기

안녕하십니까. 스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽으며 내용을 포스팅 하고 있습니다.  원제목은 "The illustrated a brief history of time" 입니다. 

1. 깨어진 절대적인 시간에 대한 믿음, 그리고 상대성 이론 

금세기 초까지도 사람들은 절대시간 이라는 것을 믿었습니다. 시간은 절대적이라는 생각을 가진 것이죠. 정확한 시계가 있다면 시계로 두 사건 사이의 시간 간격을 측정할 수 있고, 그 시간 간격은 일치한다고 생각을 한 것입니다. 

하지만 근대에 이르러 빛의 속도는 관찰자의 움직임하고는 상관없이 모든 관찰자에게 동일하다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 아인슈타인의 상대성 이론으로 발전하게 되었는데요. 

인류는 상대성 이론을 통해 절대적인 시간이 존재한다는 생각을 버리게 되었습니다. 모든 관찰자들은 각자 자신의 시계에 의해 기록된 시간을 보고 있습니다. 

하지만 서로 다른 관찰자들의 시계들이 가리키는 시간들이 항상 일치하는 것은 아니라는 것을 알게 된 것이죠. 

이때부터 인간에게 시간은 시간을 측정하는 관찰자에 따라 변할 수 있는 상대적인 시간이 되었습니다. 기존까지 시간은 절대적이라는 관념이 깨져버린 것이죠. 

2. 시간의 흐름 그리고 방향성

우리에게 시간은 앞방향과 뒷방향이 있습니다. 이는 과거와 미래입니다. 이런 과거와 미래의 차이는 어떻게 해서 발생하는 것일까요? 인간은 왜 과거는 기억하지만 미래는 기억하지 못하는 것일까요? 

과학법칙에서는 과거와 미래를 구분하지는 않습니다.  과학법칙은  작용의 조합아래서는 불변입니다. 모든 정상적인 상황하에서는 물질의 운동을 지배하는 물리법칙은 그 작용의 조합아래에서는 변화하지 않는다는 것입니다. 

물질 대신 반물질로 이루어져 있고, 만약 우리의 거울상인 거주자가 다른 행성에 존재한다면 그의 삶은 결국 우리와 똑같을 것이라는 것이죠. 

하지만 우리의 삶에서 시간에는 앞방향과 뒷방향이 있습니다. 

만약 찻잔이 책상에서 떨어져 부숴져 버린다면, 그리고 내가 그 장면을 휴대폰을 가지고 촬영한다고 가정해 봅시다. 우리는 그 영상을 볼 때 영상이 앞으로 가고 있는지 아니면 뒤로 가고있는지 분명히 식별할 수 있습니다. 

그 이유는 우리 일상생활에서는 뒤로 가고 있는 시간은 절대로 관찰이 되지 않기 때문입니다. 깨져버린 찻잔이 다시 모여 원상복구되는 따위의 일은 벌어지지 않으니까요.  

이에 대한 설명은 열역학2법칙으로 설명할 수 있습니다. 열역학 2법칙에서는 모든 닫힌 계에서는 무질서도 즉, 엔트로피가 시간의 흘러감에 따라 항상 증가한다고 이야기 합니다. 바닥에 떨어져 깨어진 찻잔은 미래의 상태이며 미래로는 갈 수 있지만 그 반대로는 갈 수 없다는 것이죠. 

시간이 흐름에 따라 엔트로피가 증가하는 것으로부터 우리는 시간의 흐름, 즉 과거와 미래를 구분할 수 있고 시간에 대한 방향을 부여하는 것입니다. 이를 우리는 시간의 화살이라고 부를 수 있습니다. arrow of time이라고 하죠. 

3. 시간의 흐름(arrow of time)의 3종류 

이 시간의 흐름에는 3가지 종류가 있습니다. 첫 번째는 엔트로피가 증가하는 시간의 방향을 가르키는 열역학적 시간의 화살입니다. (thermodynamic arrow of time) 

두 번째는 심리적 시간의 화살인데요. 우리가 시간이 흐른다고 느끼는 방향, 미래가 아니라 과거를 기억하는 방향입니다. 거꾸로 느낀느 것이지요.(psychological arrow of time) 

세 번째는 우주론적 시간의 화살입니다. (cosmological arrow of time)  우주는 수축하는 것이 아니라 팽창하고 있죠. 이 팽창하는 시간의 방향을 말합니다. 

우리는 이 3종류의 시간이 왜 모두 같은 방향을 가르키는지 생각해 볼 필요가 있습니다. 그리고 우리가 느끼는 명확하게 규정된 시간의 화살이 왜 존재해야 하는지에 대해서도 고찰해 보아야 합니다. 

4. 스티븐호킹 박사의 시간의 흐름에 대한 설명

스티븐호킹 박사는 심리적 시간의 화살이 열역학적 시간의 화살에 의해 결정되며, 이 두개의 화살이 항상 같은 방향을 가리킨다고 주장합니다. 반드시 명확하게 규정된 열역학적 시간의 화살이 존재하여야만 우주의 역사 전체에 걸쳐서 같은 방향을 가리키지는 않는다고 말합니다. 

오늘은 시간의 화살에 대한 개념과 종류 그리고 인간이 알아온 시간에 대한 관념의 변화에 대해서 이야기 해보았습니다. 다음시간에는 시간의 화살에 대한 스티븐호킹 박상의 이야기를 좀더 해보도록 하겠습니다. 

감사합니다.