열역학적 시간의 화살이 존재하는 이유는 도대체 왜일까요?

안녕하십니까. 

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

이번 이야기는 열역학적 시간의 화살이 존재하는 이유는 도대체 왜일까? 라는 문제부터 생각해 보기로 하겠습니다. 

열역학적 시간의 화살이 존재하는 이유는 도대체 왜일까? 

이 질문은 왜 우주는 과거라는 시간의 한쪽 끝에서 높은 질서의 상태에 있어야 하는가?  라는 질문으로 바꾸어 볼 수 있습니다. 

1. 왜 우주는 모든 시간에 걸쳐 완벽하게 무질서한 상태에 있지 않을까요?

왜 무질서도는 변화해야 하는 것일까요? 그리고 무질서가 증가하는 시간의 방향이 우주가 팽창하는 방향과 같을까요? 

일반 상대성이론에서는 빅뱅이 발생한 특이점에서는 모든 과학법칙이 작동하지 않기 때문에 우주가 어떻게 출발했는지 알 수 없습니다. 

우주는 이미 완전한 무질서도 상태에 있었을 수도 있을 것이고 그럼 우주의 무질서는 감소하게 되서 열역학적 시간의 화살이 지금 우리가 느끼는 시간의 방향과 거꾸로 갈 수 도 있을 것입니다. 

우리가 사는 세상에서는 전혀 관측할 수 없는 세상이죠.

고전적인 일반 상대성 이론으로는 우주에 대해 충분히 설명하지 못하게 되었습니다. 결국 우주의 기원을 이해하기 위해서는 양자중력이론을 설명해야만 합니다. 

우주는 탄생과 함께 지수함수적이거나 매우 폭발적인 팽창을 통해 엄청난 크기로 커졌을 것입니다. 이 팽창기간에 초기에는 밀도가 요동치는 정도가 매우 작았겠지만 시간이 흐르면서 그 요동은 매우 커졌을 것입니다. 

밀도가 높은 곳에서는 질량들의 인력에 의해 팽창이 느려졌을 것이고 국부적으로는 팽창을 멈추고 수축해서 지금의 별들이 되었을 것입니다. 결국 인류같은 지적 생명체도 생겨나게 되었을 것이구요. 

결국 우주는 처음에서는 질서있는 상태에서 출발해서 시간이 흐르면서 차츰 무질서한 상태가 되었을 것입니다. 이것으로 우리는 열역학적 시간의 화살의 존재를 설명할 수 있습니다. 

2. 그런데 만약에 우주가 팽창을 멈추고 수축하기 시작하면 어떤일이 벌어질까요? 

열역학적 시간의 방향이 거꾸로 가고 무질서도가 감소하게 될까요? 마치 공상과학 영화처럼 깨어진 찻잔들이 다시 깨어지기 이전 상태로 돌아가게 될까요?  

우주는 앞으로 100억 년 동안은 수축하지 않을 것이기 때문에 아쉽게도 우리는 그 사실을 경험할 수는 없을 것 같습니다. 

하지만 한가지 방법이 있습니다.  바로 블랙홀 안으로 뛰어드는 것이지요. 

블랙홀은 별이 붕괴하는 것이어서 마치 우주가 수축하는 상태와 비슷하기 때문입니다. 블랙홀 내부에서는 무질서도가 감소하리라고 예상되는 것입니다. 

우주가 다시 작아졌을 때 질서 있는 상태로 돌아가야 하기 때문입니다.  수축하는 세상에서는 시간이 역전되게 되는 것이지요.  우주가 수축하면 우리는 삶을 거꾸로 살아가게 될 것입니다. 우리는 날로 젊어질 것입니다. 

하지만 여러 과학자들은 좀 더 복잡한 모형들을 이용하여 우주의 수축이 팽창과는 전혀 다르다는 사실을 발견합니다. 무질서도가 수축하는 상태에서도 계속 증가할 수 있음을 알아낸 것이죠. 

열역학적 시간의 화살과 심리적 시간의 화살은 우주가 재수축하거나 블랙홀 속에서도 역전되지 않을 것이라는 것입니다. 

여전히 왜 무질서는 우주가 팽창하는 시간의 방향과 같은 방향으로 증가하는가? 라는 의문이 남습니다. 

3. 우주가 팽창하고 나서 다시 수축한다고 믿는다면 우리는 왜 수축국면이 아니라 팽창 국면에 있어야 할까요? 

우리는 이를 인류원리를 통해 해답을 찾아볼 수 있습니다. 수축하는 세상에서는 왜 무질서도가 우주의 팽창과 같은 시간의 방향으로 증가하는가? 라는 질문을 던질 수 있는 지적 생명체의 생존에 부적절하다는 것입니다. 

초창기의 우주는 우주가 아주 오랜기간 재수축하지 않을 상태임을 뜻합니다. 그리고 팽창의 끝에 다다르면 모든 중성자와 양성자들이 붕괴하고 우주는 아주 무질서한 상태가 될 것입니다. 그 곳에는 어떤 열역학적 시간의 화살도 없을 것입니다. 

무질서도는 더 이상 증가할 수 없습니다. 하지만 지적생명체가 존재하기 위해서는 강한 열역학적 화살이 필요합니다.  인간은 음식을 소비하고 무질서한 에너지 형태인 열로 번환시키는 과정에서만 생존할 수 있기 때문입니다.  

지적 생명체는 우주의 수축 국면에서는 존재할 수 없습니다. 

이로부터 우리는 우리가 열역학적 시간의 화살과 우주론적 시간의 화살이 같은 바향을 기리키로 있는 것으로 관찰되는 이유를 설명할 수 있게 되었습니다. 

4. 요약을 해볼까요?  

우주의 팽창이 무질서도를 증가시키는 것이 아닙니다.

무경계 조건이 무질서도를 증가시키며 이런 팽창 국면에서만이 인류같은 지적 생명체가 존재할 수 있는 적절한 조건이 되는 것입니다. 

과학법칙은 시간의 방향을 구분하지 않습니다. 시간에는 세 가지 시간의 화살이 있습니다. 이중에서 심리적 시간과 열역학적 시간의 화살은 동일하며 항상 같은 방향을 가리킵니다. 

우주는 질서 있는 상태에서 출발한 것이 분명합니다. 그리고 열역학적 시간의 방향은 우주론적 시간의 방향과 일치하는데 그 이유는 지적 생명체가 팽창 국면에서만 존재할 수 있기 때문입니다. 

우리가 이 글을 읽을 때 뇌의 기억속에는 정보가 정리되면서 뇌의 질서도는 증가하겠지만, 우리가 먹은 음식들은 그 활동을 위해 칼로리를 소모하면서 무질서한 에너지로 변환되어 주변공간으로 발상됨으로서 훨신 큰 무질서를 유발했을 것입니다. 

이상으로 시간의 방향은 왜 과거에서 미래로 가는지를 열역적 관점과 우주팽창론적 관점에서 알아보는 시간을 가졌습니다.  감사합니다.