물리학은 과거와 미래를 구분하지 못한다 — 시간이 '흐른다'는 것은 착각인가
물리학은 과거와 미래를 구분하지 못한다
오늘 이 주제를 고른 건, 솔직히 말하면 날짜 때문이다.
오늘은 7월 11일이다. 어제는 7월 10일이었고, 내일은 7월 12일이 될 것이다. 이 문장을 쓰는 순간에도 시간은 '앞'으로 가고 있다. 과거로 되돌아가는 시간은 없다. 누구나 그걸 안다.
그런데 물리학은 이것을 모른다.
진심으로. 물리학의 방정식들 — 뉴턴의 운동방정식, 맥스웰 방정식, 슈뢰딩거 방정식 — 이것들은 t를 +t로 바꿔도, -t로 바꿔도 똑같이 작동한다. 방정식 입장에서 시간이 앞으로 가든 뒤로 가든 차이가 없다. 당구공이 충돌하는 영상을 거꾸로 틀어도, 물리 법칙상 이상한 게 없다. 방정식이 허용한다.
그러니까 물리학의 언어로는, "과거는 과거고 미래는 미래다"라는 말을 쓸 수가 없다. 방정식에 방향이 없으니까.
⟶ 그렇다면 시간의 방향은 어디서 오는가
여기서 등장하는 유일한 후보가 엔트로피다.
시간의 화살(arrow of time)은 시간의 '단방향성' 또는 '비대칭성'을 가정하는 개념으로, 1927년 영국의 천체물리학자 아서 에딩턴이 개발했으며 아직 해결되지 않은 일반 물리학 문제다.
일부 과정들은 자발적으로 발생하지만, 그것들의 시간 역전은 발생하지 않는다. 시스템은 엔트로피를 증가시키는 방향으로 진행되는 경향이 있다.
커피는 차가워진다. 연기는 퍼진다. 달걀은 깨진다. 성냥불에 맞은 성냥 주변의 연기 입자는 서로 멀어지면서 사용 가능한 공간 전체로 확산될 것으로 예상되며, 모든 입자가 한데 모이는 것은 천문학적으로 불가능한 일이다. 이것이 바로 우리가 '시간이 흐른다'고 느끼는 방향이다.
에딩턴의 주장은 이렇다: 엔트로피가 증가하는 쪽이 미래다. 물리 방정식은 방향을 모르지만, 엔트로피는 방향을 안다. 엔트로피의 화살표가 시간의 화살과 같은 방향을 가지고 있다는 것을 의미한다.
|
F = ma, 슈뢰딩거 방정식...
과거 ↔ 미래
← 구분 없음. 양방향 허용.
|
우리의 경험...
과거 → 현재 → 미래
← 단방향. 역행 불가.
|
| 이 간극을 메우는 유일한 후보: 엔트로피 (무질서의 증가) | |
⟶ 그런데 이 설명에는 구멍이 있다
엔트로피가 시간의 방향을 만든다 — 그럴싸하다. 하지만 여기서 이상한 질문이 생긴다.
왜 우주는 처음에 엔트로피가 낮은 상태로 시작했는가?
엔트로피가 '항상 증가한다'는 것은 지금 상태가 과거보다 무질서하다는 뜻이다. 그러려면 과거는 지금보다 질서정연했어야 한다. 더 과거는 더더욱. 그렇게 거슬러 올라가면, 우주의 시작 — 빅뱅 — 은 믿기 어려울 만큼 낮은 엔트로피 상태여야 한다는 결론이 나온다.
왜 우주는 그렇게 출발했는가? 물리학은 여기서 침묵한다. 이것은 단순히 "아직 모른다"가 아니라, 우리가 시간을 설명하기 위해 사용하는 바로 그 도구가, 설명을 시작하기 위해 설명되지 않은 전제를 요구한다는 뜻이다.
순환이다. 시간의 방향을 설명하려면 시간의 시작이 필요하고, 시간의 시작을 설명하려면 더 이전이 필요하고.
⟶ 아인슈타인은 뭐라고 했는가
민코프스키에 따르면, 공간이 그렇듯이 과거, 현재, 미래의 시간도 구별이 불가능하다.
그리고 1955년 아인슈타인은 절친했던 동창 베소가 세상을 떠나자 가족들에게 위로 서신을 보냈다: "이제 그는 저보다 조금 앞서 이 기이한 세상을 떠났습니다. 그것은 아무 의미가 없습니다. 우리처럼 신념이 있는 물리학자들에게 과거와 현재, 미래의 구분은 환상일 뿐입니다."
위로의 말로는 꽤 차갑다. 하지만 물리학적으로는 진지한 주장이었다.
대부분의 선도적 물리학자들이 시간의 흐름이 환상이라는 '영원주의'를 지지하는 것은 아이러니인데, 물리학은 시간의 경과에 따라 변화하는 자연현상을 기술하는 학문이기 때문이다.
자신이 연구하는 학문이 다루는 시간이, 실은 환상이라고 믿는 물리학자들. 이 아이러니를 나는 꽤 오래 생각했다.
⟶ 그래서 나는 오늘 이 글을 쓴다
나는 오늘이 7월 11일이라는 것을 안다. 어제는 없고, 내일은 아직 없다. 지금 이 순간만 있다. 이것이 내가 시간을 경험하는 방식이다.
하지만 물리학의 방정식 어디에도 "지금"은 없다. 변수 t는 그냥 숫자다. 앞이건 뒤건 모른다. '지금'이라는 감각은 방정식 밖에 있다.
그것이 어디서 오는지 — 엔트로피인지, 신경계인지, 의식인지, 아니면 애초에 우주의 구조인지 — 물리학은 아직 모른다. 아마 한동안은 모를 것이다.
그리고 나는 그게 좋다. 오늘 7월 11일 이 글을 쓰는 지금, 물리학이 설명하지 못하는 '지금'이라는 감각 속에 내가 있다는 게. 방정식이 아무리 양방향을 허용해도, 나는 오직 한 방향으로만 간다.
그 방향이 미래라고 부른다.
댓글
댓글 쓰기