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시간의 비밀을 풀다 – 브라이언 콕스(Brian Cox)의 이야기
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저명한 물리학자이자 TV 호스트인 브라이언 콕스 교수가 시공간 본연의 특성을 이해할 수 있도록 돕는 흥미로운 여정으로 초대합니다. 자세한 내용을 확인해보세요.
입자 물리학자이자 맨체스터대학교(University of Manchester)의 물리학 교수인 브라이언 콕스가 시간과 그 기원 그리고 무한한 우주와 관련된 철학적 의문점에 대한 심도 깊은 이야기를 들려줍니다. 또한 인류는 시계가 측정하는 것이 무엇인지 정확히 알지 못한다는 사실과 함께, 다이얼을 오가는 세컨즈 핸드를 관찰하는 행위가 가장 심오한 시공간의 미스터리에 다가가는 첫 걸음인 이유에 대한 근본적인 이유도 설명해줍니다.
브라이언 콕스가 참여한 최신 팟캐스트에서 시간과 영원에 대한 그의 생각을 확인해보세요.
우주의 아름다움
기계식 시계에 매력을 느낀 특별한 이유가 있다면 말씀해주시겠어요?
시간의 흐름을 측정하는 기계식 장치는 시간을 측정하는 휴대전화와 엄청난 차이가 있습니다. 우리는 시계에 탑재된 세컨즈 핸드를 볼 수 있지만, 핸드가 가지는 의미는 무엇일까요? 아인슈타인에게 이런 질문을 한다면, 그는 핸드가 시공간을 이동하는 거리를 측정한다고 답할 겁니다. 열역학 전문가에게 물어보면 어떤 식으로든 엔트로피와 관련이 있으며 시계는 궁극적으로 우주에 얽힌 비밀을 파헤친다고 답하겠죠.
그것은 마치 심오한 의문과 쉽게 해결할 수 없는 미스터리로 향하는 문과도 같습니다. 저에게 있어서, 클락과 시계는 바로 이런 점에서 위대한 사물입니다. 실제로, 우리는 가장 근본적인 차원에서 시계가 무엇을 하는지 알지 못합니다. 시계를 들여다보면 쉽게 풀리지 않을 미스터리, 즉 시공간 그리고 우주 자체의 구조와 긴밀하게 얽혀 있는 미스터리가 눈앞에 펼쳐집니다.
IWC 샤프하우젠에 기대하는 컴플리케이션이 있다면 알려주시겠어요?
시계를 측정 장치라고 가정하면, 그러니까 시계가 시계 자체의 나이를 측정한다고 가정한다면 어떨까요? 작동을 시작한 후에는 결코 멈추지 않는 크로노그래프와 같은 물체를 생각해보세요. 모든 시계가 한 치의 오차도 없이 완벽하고 정확하게 작동한다고 해도 모든 시계는 저마다 다른 순간을 측정할 것입니다. 물론 그 차이가 인식하기 힘든 정도라고 해도 시계는 서로 다른 무언가를 기록합니다. 제작을 마친 후 제조시설을 벗어난 시점에서는 모든 시계가 완벽히 동기화된 상태이겠지만 다시 돌아올 때는 서로 달라져 있습니다. 시계는 착용자의 손목에서 시공간을 넘나들며 일련의 사건이 펼쳐지는 동안 서로 다른 경로로 이동했을 것이기 때문입니다. 우주는 바로 이런 점에서 아름다운 공간입니다.
— 포르투기저 퍼페추얼 캘린더 호라이즌 블루 다이얼 Ref. IW503703을 착용한 브라이언 콕스
시계를 블랙홀에 던지면 작동을 멈추고 영원히 그 상태를 유지합니다. 블랙홀의 “사건의 지평선”에서는 시간이 멈추죠. 그러나 외부에서 바라볼 때만 그렇습니다. 여러분이 시계와 함께 블랙홀에 떨어지면 시계는 매초마다 1초씩 움직입니다
— IWC 샤프하우젠과 인터뷰 중인 브라이언 콕스
“어제가 없는 날”
시간이란 무엇일까요?
다른 많은 간단한 질문들처럼 답은 그렇게 간단하지 않습니다. 짧게 답한다면 '모른다'가 되겠죠. 17세기에 아이작 뉴턴은 하늘에 거대한 시계 같은 존재가 있어서 모든 사람의 시간이 같은 속도로 흘러 간다고 추측했습니다. 그러나 1905년에 알버트 아인슈타인이 상대성 이론을 주장하면서 실제로는 그렇지 않다는 사실을 보여주었습니다. 시간은 다양한 장소에서 사람에 따라 다른 속도로 흘러 갑니다. 현실에서 벌어지는 일들 사이에서 다른 사람보다 상대적으로 빠르게 진행하든지 아니면 다른 경로를 따르든지 여부에 따라서 말입니다.
시간이 멈추기는 하나요?
시계를 블랙홀에 던지면 작동을 멈추고 영원히 그 상태를 유지합니다. 블랙홀의 "사건의 지평선"에서는 시간이 멈추죠. 그러나 외부에서 바라볼 때만 그렇습니다. 여러분이 시계와 함께 블랙홀에 떨어지면 시계는 매초마다 1초씩 움직입니다. 그러면 시간은 더 복잡하게 얽혀 있다는 사실을 깨닫게 됩니다. 현대 물리학에서 연구하고 있는 분야입니다. 아인슈타인은 시간은 시계가 측정하는 것이라는 유명한 명언을 남겼습니다.
시간은 언제 시작되었나요?
물리학에는 열역학적 시간의 화살(thermodynamic arrow of time)이라는 개념이 있습니다. 과거와 미래의 차이는 단지 과거에 우주가 탄생하게 된 기원인 빅뱅(대폭발)이라는 이상한 일이 일어났기 때문이라는 이론입니다. 이에 따르면 138억 년 전에 발생한 빅뱅이 시간의 시작점일 겁니다. 그러나 아직은 빅뱅이 시간이 시작된 시점이었는지 확신할 수 없습니다. 우주의 시작이 있었는지조차 알 수 없죠. 위대한 천체 물리학자였던 조르주 르메트르(Georges Lemaître) 신부의 말처럼 우주의 시작이 있었다면 “어제가 없는 날”이 존재했다는 의미입니다.
조금 더 거시적인 관점에서 생각한다면, 영원이란 무엇입니까?
현재, 가장 기초적인 우주 모델에 따라, 우리는 우주가 팽창하고 있으며 팽창 속도가 빨라지고 있다는 점을 인지하고 있습니다. 우주가 점점 더 빠른 속도로 팽창한다면 어느 순간 모든 것이 다른 모든 것에서 너무 멀리 떨어지게 되는 지점에 도달하게 되고 결국에는 온도가 같아집니다. 엄밀히 말하면 우주가 극도로 질서를 갖춘 상태에서 복잡하고 무질서한 상태로 변해갈수록 엔트로피는 항상 증가합니다. 그러나 우리는 시계가 열역학적 장치라는 사실을 알고 있습니다. 시계를 만들려면 온도차가 필요합니다. 아주 먼 미래에, 언젠가는 우주에 더 이상 온도차가 존재하지 않는 시점에 도달하게 됩니다. 저는 그 때가 되면 시간이 사라질 것이라고 추측합니다.
시계를 착용하면 시계는 항상 매초마다 1초씩 움직입니다. 여러분 기준에서 바라보고 느끼는 시간이죠. 다른 사람이 다른 장소로 가서 다른 일을 한 후에 다시 만나서 시계를 비교하면 서로 다른 속도로 시간을 보냈을 겁니다.
교향곡을 완주하기까지의 시간
1분은 항상 1분이고 1초는 언제나 1초인가요?
일정한 시간이 존재합니다. 예를 들어 말러의 교향곡 9번을 연주한다고 가정해보겠습니다. 교향곡 9번을 완주하는 데 걸리는 시간은 오케스트라를 기준으로 움직임 없이 한 곳에서 시계로 측정한 시간입니다. 그런데 시계를 들고 공연장 밖으로 나가 이곳저곳을 돌아다니다가 다시 공연장에 들어오면 교향곡을 시작한 후 연주를 마치기까지 시계가 측정한 시간은 아주 약간이지만 조금 더 짧아질 겁니다.
그렇다고 시계가 정확하지 않다는 의미는 아닙니다. 오히려 반대죠. 시계는 연주가 시작해서 끝나기까지의 시간을 매우 정확하게 측정합니다. 두 시계 사이에서 시간이 흘러가는 방식 자체가 다릅니다. 상대성 이론에서 그리고 실제로도 시간은 개인적인 개념입니다. 물론 시계가 거의 빛의 속도, 즉 광속으로 움직이지 않는 한, 시간의 차이는 무시할 수 있을 정도이지만, 시간이 광속으로 움직인다면 그 차이는 상당한 수준일 겁니다.
속도를 높일수록 시간은 천천히 흘러갑니다.
저는 동료들과 함께 제네바의 유럽입자물리연구소(CERN)에 설치되어 있는 대형 강입자충돌기(LHC)를 사용해서 실험을 진행했습니다. 양성자가 광속의 99.999999%에 달하는 속도로 입자가속기 주위를 회전하도록 만들었습니다. 양성자는 그 속도로 초당 11,000번, 27킬로미터의 고리를 오갑니다. 그러나 양성자의 입장에서 시간은 7,000배 더 느리게 흘러갑니다. 우리에게 있어 1초는, 양성자에게는 7,000분의 1초와 같습니다.
그러나 입자의 입장에서 생각한다면 시계는 여전히 매초마다 1초씩 움직입니다. 모순적이어 보일 수도 있지만 그렇지 않습니다. 반대로 입자의 관점에서 보면 가속기 고리의 둘레는 27킬로미터가 아닌 4미터로 줄어들기 때문입니다. 따라서 결과는 같습니다. 공간과 시간을 서로 뒤섞여 있습니다. 상대성 이론을 바라보는 또 다른 방법일 뿐이죠.
그렇다면 시계가 가리키는 시간은 오직 자신에게만 정확하고 타당한가요?
아인슈타인의 이론에는 적절한 시간(proper time)이라는 개념이 존재합니다. 시계를 착용하면 시계는 항상 매초마다 1초씩 움직입니다. 여러분 기준에서 바라보고 느끼는 시간이죠. 다른 사람이 다른 장소로 가서 다른 일을 한 후에 다시 만나서 시계를 비교하면 서로 다른 속도로 시간을 보냈을 겁니다. 하지만 시계는 시계를 착용한 그 사람의 기준에서 항상 매초마다 1초씩 움직입니다.
— 4,500만 년간 정확한 문 페이즈 디스플레이가 탑재된 포르투기저 이터널 캘린더 IW505701
— 4세기마다 한 바퀴를 완주하는 400년 기어를 장착 중인 IWC 자체 제작 52640
‘세계선’, 그 의미의 이면
시간은 어떻게 사람에 따라 다른 속도로 흘러갈 수 있을까요?
아인슈타인의 상대성 이론은 사건과 관련이 있습니다. 손가락을 클릭하거나 촛불을 켜는 모든 일들이 바로 상대성 이론에서 말하는 사건입니다. 우리가 지금 여기에 앉아서 서로 대화를 나누고 있는 현재의 상황도 하나의 사건입니다. 우리는, 이를테면 내년에 다시 만나서 누구의 시간이 가장 많이 흘러갔는지 확인해보자고 말할 수 있습니다. 이 질문에 대한 답은 여기에 모인 개개인이 시공간을 오간 경로에 따라 결정됩니다.
서로 다른 사건들이 이어지는 경로의 길이는 정해져 있습니다. 그리고 그 길이가 바로 시계가 측정하는 시간입니다. 그런 의미에서 시계는 시간을 측정하는 장치이기보다는 거리를 측정하는 장치입니다. 샤프하우젠과 런던 사이의 거리를 묻는 질문과도 유사하다고 볼 수 있죠. 두 지점 사이의 거리는 이동 방법에 따라 달라집니다.
예를 들어서 시공간의 개념을 설명해주시겠어요?
저는 지난 수년간 시공간을 설명하고 학생을 가르치기 위해 지도 형태의 그림을 제작했습니다. 시공간을 우주의 공간과 시간에서 일어나는 모든 사건의 집합체라고 가정해보세요. 그리고 이제 지도에 점을 찍는다고 상상해보세요. 한 사건에서 다른 사건으로 이어지는 선, 다시 말해 지도를 가로지르는 경로가 존재하는데, 그 경로가 세계선입니다. 우리가 지도를 가로지르는 동안 시계는 세계선의 길이를 측정합니다.
시간을 거리로 받아들인다면 인간은 평생 얼마나 멀리 여행하나요?
아인슈타인의 이론에 따르면 인간이 시공간을 가로질러 움직이는 거리가 나이입니다. 간단한 답이죠. 77년 6일 3초 동안 살았다면 그 시간만큼의 거리를 오간 것입니다. 정말 아름다운 일이죠. 문자 그대로 나이는 시공간을 가로질러 이동한 거리입니다.
아인슈타인의 이론을 있는 그대로 받아들인다면 모든 시공간은 이미 지도 위에 존재합니다. 과거만이 아니라 미래도 마찬가지겠죠.
시공간 감각
세계선은 처음부터 존재한 건가요? 아니면 우리가 움직이면서 만들어가는 건가요?
아인슈타인의 이론을 있는 그대로 받아들인다면 모든 시공간은 이미 지도 위에 존재합니다. 과거만이 아니라 미래도 마찬가지겠죠. 시공간을 변하지 않는 4차원 블록으로 이해하는 블록우주라는 개념이 존재합니다. 시간이 지남에 따라 계속해서 바뀌는 3차원 공간과는 반대되는 개념이죠. 그러나 일부 물리학자들은 어쨌든 미래는 만들어진다고 생각합니다. 이와 같은 접근법을 양자중력이론이라고 합니다. 중력은 시공간의 곡률이며, 공간 및 시간과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 현재 모든 사람들은 조금 더 깊이 있는 이론의 필요성을 느끼고 있습니다.
사람들이 필요성을 느끼는 이론은 어떤 형태일까요?
우리는 시공간이 시간과 공간이 존재하지 않는 무언가에서 생겨났다고 의심하기 시작했습니다. 인간의 의식을 생각하면 쉽게 받아들일 수 있겠죠. 인간을 자연의 법칙을 따르는 원자의 집합체라고 생각할 수 있습니다. 그리고 원자의 집합체인 인간에게서 전혀 다른 새로운 무언가가 생겨납니다.
인간이 시계를 보고 아름답다고 느끼는 생각, 그것은 무엇일까요? 아름답다는 관념은 "아름답지" 않은 존재가 있어야만 비로소 성립됩니다. 이와 마찬가지로 인간은 끈 이론(string theory)이나 물체의 상호 작용을 고려한 양자론과 같이 더 깊이 있는 시각이 존재한다고 믿기 시작했습니다. 그리고 어떤 메커니즘인지는 모르지만 시공간 감각이 그로부터 생겨납니다.
브라이언 교수님, 물리학자의 관점을 이해하기 쉽게 설명해주셔서 감사합니다.
— 팟캐스트 녹화장에서 브라이언 콕스와 IWC 샤프하우젠 CEO 크리스 그레인저 헤어(Chris Grainger-Herr)
IWC 샤프하우젠의 최신 팟캐스트 에피소드에서 시간과 우주에 관한 모든 것을 자세히 살펴보세요.
