21세기 과학난제 11월이 거의 다 가고 이제 달력에 마지막 한 장이 남으면, 우리는 으레 시간 철학자가 된다. 아! 또 한 해가 저무는구나, 시간이 이렇게 허무하게 가는구나 하면서 시간에 대해 다른 어느 때보다 진지하게 생각하기 마련이다.
이렇게 우리들은 시간의 흐름 속에서 살아가고 있다. 그럼에도 불구하고 시간이란 건 참으로 알 수 없는 것이다. 누구나 시간의 구속을 받으며 살아가지만 시간의 본질이 무엇인지는 그 누구도 모른다.
미 과학자들의 시간에 대한 농담
 | | ▲ 째각째각 흘러가는 시간 속에서 살아가고 있지만, 우리는 그 누구도 시간이란 게 뭔지 모른다. |
시간이란 무엇일까? 시간이란 게 정말 존재하는 걸까? 그저 마음이 만들어낸 허상은 아닐까? 물리학적으로 시간여행은 가능한 것일까? 시간의 흐름은 멈출 수 있을까?
이런 질문들은 수세기 동안 수많은 철학자들은 물론 과학자들을 괴롭혀왔다. 철학자들은 나름 시간에 대해 해석하고 정의를 내리기는 했지만 그 안에 시간의 본질에 대한 답은 없었다. 예를 들어 고대 그리스 철학자들은 영원이란 개념을 이해하려고 했는데, 여기에서 핵심은 시간의 개념이었다. 하지만 시간을 속시원하게 풀어주진 못했다.
한편 우주의 탄생과 원리를 이해하고 만물의 법칙을 알아내려는 물리학자들은 시간을 필수적인 요소로 사용해왔다. 그럼에도 불구하고 여전히 물리학자들은 시간 그 자체가 뭔지를 모른다. 오늘날 물리학자들은 시간이란 것이 우주에서 가장 이상한 특징 중 하나라고 생각한다.
그래서 미국 과학자들 사이에선 이런 농담을 주고받는다고 한다. 시계를 잃어버린, 영어가 아직 서툰 한 이민자가 있었다. 그가 뉴욕의 거리를 걷다가 한 남자에게 다가가 이렇게 물었다.
“죄송한데, 몇 시인가요?”(Please, Sir, what is time?) 그러자 그 남자가 대답하길, “죄송합니다. 철학자에게 물어보세요. 저는 그저 물리학자이거든요.”(I'm sorry, you'll have to ask a philosopher. I'm just a physicist.)
움직임에 영향 받는 시간의 흐름
 | | ▲ 아인슈타인은 상대성이론을 통해 우리가 갖고 있던 시간에 대한 생각을 뒤집어놓았다. |
물리학자가 이렇게 대답하긴 했지만 사실 물리학자만큼 시간의 본질에 대해 진지하게 논쟁하고 고민하는 이들은 없을 것 같다. 18세기에 아이작 뉴턴과 고트프리드 라이프니츠는 시간이 우주에서 기본적인 것이냐를 두고 논쟁을 벌이기도 했다.
그리고 20세기 초 우리가 너무나도 잘 아는 과학계 슈퍼스타 앨버트 아인슈타인이 시간에 대해 놀라운 사실을 발견했다. 시간이 누구에게나 똑같이 흘러가지 않을 수 있다는 사실을 말이다.
아인슈타인은 두 차례에 걸쳐 상대성이론을 발표함으로써 어디에 있든 무엇을 하든 누구에게나 공평하기만 한 시간의 흐름이 상대적으로 달라질 수 있다는 걸 세상에 알려주었다.
우선 1905년에 발표한 특수상대성이론에 바탕한 시간에 대해 예를 들어 알아보자. 두 사람이 있다. 이 둘은 시계를 같은 시각으로 맞춘다. 그런 다음 한 사람은 가만히 앉아 있고, 다른 한 사람은 여기저기를 계속 뛰어다닌다. 시간이 흘러 두 사람이 재회를 한다. 그러면 계속 동분서주하며 뛰어다닌 사람의 시계는 가만히 앉아 있는 사람의 것보다 더 느리게 갔다.
물론 우리의 일상적인 속도로는 그 효과가 너무나도 미미해 차이를 확인하려면 천년 정도의 세월이 걸린다. 만약 속도를 높여 빛의 속도에 가까워진다면, 시간이 느려지는 효과는 상당해진다. 어찌되었건 시간의 흐름은 우리가 어떻게 움직이느냐에 영향을 받는다.
고층빌딩 꼭대기의 사람은 시간이 빨리 흐른다
 | | ▲ 고층빌딩 꼭대기에 사는 사람의 시간은 1층에 사는 사람보다 빨리 흐른다 |
한편 1915년 아인슈타인은 중력을 포함한 일반상대성이론을 발표하면서 중력 역시 시간의 흐름과 관련이 있음을 보여주었다. 중력이 커지면 시간의 흐름이 느려진다는 것이었다.
예를 들어 고층빌딩의 꼭대기에 사는 사람과 그 건물의 1층에 사는 사람 사이에 시간의 흐름은 어떻게 다를까? 이 두 사람의 시계를 동일하게 맞춘다. 그리고 시간이 흐른 후 두 사람이 만난다. 그러면 1층에 사는 사람의 시계가 꼭대기에 사는 사람의 것보다 느리게 간다. 그 이유는 1층에 사는 사람은 지구에 더 가까이 있어 꼭대기에 사는 사람보다 중력이 더 크기 때문이다. 물론 그 효과는 확인이 안 될 정도로 미미하긴 하지만 말이다.
하지만 중력이 어마어마해서 빛조차도 빠져나오진 못한다는 블랙홀의 근처에 있다면 상황은 달라진다. 이곳에선 시간이 아주 느리게 흘러간다.
만약 우리가 빛의 속도에 가까운 속도로 이동할 수 있거나, 블랙홀 근처의 막대한 중력에 머물러 있을 수 있다면 어쩌면 시간에 대해 더 잘 이해할 수 있을지 모른다. 하지만 느려터진 속도와 작은 중력의 탓에 우리가 시간에 대한 비밀을 푸는 데는 속도를 내긴 어려울 듯하다.
상대성이론과 양자역학 간의 입장 차가 문제
어찌되었건 현대 물리학자들에게 시간의 본질을 이해하는 건 매우 중요한 일이 되고 있다. 그렇다면 왜 물리학자들은 시간의 본질을 알아내려는 걸까?
현재 물리학자들은 아인슈타인의 상대성이론을 현대물리학의 또 다른 축인 양자역학과 통합하려고 한다. 이 둘을 통합하면 우주의 시작에 대한 비밀을 풀 수 있다. 이와 함께 물리학자들이 그토록 바라던 우주의 모든 현상을 설명해줄 만물의 법칙을 얻을 수 있다고 믿는다.
 | | ▲ 우주를 온전히 다 이해하려면 시간에 대한 이해가 필수적이다. 현대 물리학자들이 시간의 본질을 알아내려는 이유가 여기에 있다. |
문제는 이 두 이론이 시간을 매우 다르게 본다는 것이다. 우주라는 거대 스케일을 다루는 상대성이론은 이미 얘기했듯 어떻게 움직이고 중력이 얼마나 크냐에 따라 시간의 흐름이 달라진다.
반면 원자나 그보다 작은 미시세계를 다루는 양자역학의 세계에서 시간이란 그리 중요하지 않다. 양자역학의 세계에서는 시간의 측정을 허용하지 않는다. 그래서 어떤 입자가 어느 특정 공간에 얼마나 오래 머무를 것이냐를 묻는다면 그 대답은 양자역학적으로 수백 가지 수천 가지 아니 무한히 많은 답이 나올 수 있다.
시간 그 자체를 잊어라
이처럼 상대성이론과 양자역학 간의 시간에 대한 차이는 현대 이론물리학자들에게 골치덩이다. 이를 해소하는 일은 우주 전체를 설명하고자 하는 하나의 이론을 만드는 데 핵심적이고 기본적인 문제가 되는 데 말이다. 그래서 시간을 두 이론에 딱 들어맞게 일치시키기 위해 세계적인 석학들은 머리를 쥐어짜고 있는 중이다.
그렇다면 현대 물리학자들은 이 난관을 어떻게 타계하려고 하는 걸까? 프랑스 마르세유에 위치한 대학(Universite de la Mediterrannee)의 이론물리학자 카를로 로벨리 교수는 이렇게 얘기한다. “시간에 대한 현재의 난관을 푸는 방법은 시간 그 자체를 잊는 것이다.” 이는 이전에 물리학에서 내놓은 시간에 대한 설명은 버리라는 의미이다.
이처럼 로벨리 교수를 비롯해 현대 석학들이 시간에 대해 파격적인 가설을 내놓고 있다. 우리가 종전에 생각하던 것을 버리고 생각도 못했던 것들을 고민함으로써 해법을 찾을 수 있다고 본다. 그들의 주장은 무엇인지 그 이야기는 다음에 계속된다. | 
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