최신 물리학은 어떻게 시간의 존재를 증명하는가

빅뱅 이전에는 시간이 없었는가?
완벽한 예측은 왜 불가능한가?
자연법칙은 정말 영원불변하는가?

도대체 시간이란 무엇인가?

양자중력 연구의 권위자, 페리미터 이론물리학연구소의 창립 멤버이자 수석교수, 카를로 로벨리가 인정하는 ‘맞수’ 리 스몰린이 쓴 『리 스몰린의 시간의 물리학』이 출간되었다. 『Time Reborn(시간의 재탄생)』이라는 제목으로 출간된 원서는 2013년 출간된 이래로 현대 물리학에서 이루어지고 있는 시간에 대한 연구를 이해하기 위해서는 반드시 읽어야 할 필독서로 여겨져왔으며, 시간의 물리학에 관한 논의를 가장 포괄적이고 입체적으로 다루고 있는 책으로 평가받고 있다.

이 책에서 리 스몰린은 물리법칙이 시간과 공간에 관계없이 적용된다고 여기는 것과 같은 ‘비시간적’ 관점이 오늘날 이론물리학과 우주론을 막다른 곳에 다다르게 했다고 주장하면서 현재의 우주와 존재를 이해하기 위해서는 왜 시간이 오직 한 방향으로 흐르면서 존재에 영향을 미친다는 사실을 반드시 인정해야 하는지를, 최신 물리학 연구를 바탕으로 설명한다. 우리는 어떻게 공간에서와는 다른 방식으로 시간에 존재하며, 시간이라는 제약은 어떻게 우주와 세계를 복잡하고 다채롭게 창조해내는가? 이 책은 시간이라는 제약하에 있는, 그래서 더 과학적으로 이해할 수 있는 세계로 우리를 부르는 초대장이다.

여는 글/ 시간이란 무엇인가?
서문

1부 무게: 추방된 시간
1장 떨어진다는 것
2장 사라진 시간
3장 캐치볼 게임
4장 상자 속의 물리학
5장 새로움과 놀라움의 추방
6장 상대성과 비시간성
7장 양자우주론과 시간의 종말

2부 빛: 다시 태어난 시간
간주곡 아인슈타인의 불만
8장 우주론적 오류
9장 우주론적 도전
10장 새로운 우주론을 위한 원리들
11장 법칙의 진화
12장 양자역학과 원자의 해방
13장 상대성과 양자의 전투
14장 상대성으로부터 다시 태어난 시간
15장 공간의 출현
16장 우주의 삶과 죽음
17장 열과 빛으로부터 다시 태어난 시간
18장 무한한 공간 또는 무한한 시간?
19장 시간의 미래

맺는 글/ 시간 속에서 생각하기
감사의 말
옮긴이의 말
주
참고문헌
찾아보기

리 스몰린 지음, 강형구 옮김

물리학에서 추방된 시간은 어떻게 다시 돌아오는가
최신 연구를 바탕으로 시간의 물리학을 가장 입체적으로 탐구하는 한 권의 책

★★★★★ “시간의 본성에 관한 탁월한 분석. 지금까지 봤던 과학 교양서 중 최고다.”_〈파퓰러 사이언스〉
★★★★★ “과학, 철학, SF를 합쳐놓은 것 같다.”_〈뉴욕 타임스 북 리뷰〉

시간은 흐르지 않고, 과거·현재·미래는 마음속에 존재하는 환상이다?
아니다, 시간은 한 방향으로 흐르며 실재한다!

양자중력 연구의 권위자, 페리미터 이론물리학연구소의 창립 멤버이자 수석교수, 카를로 로벨리가 인정하는 ‘맞수’ 리 스몰린이 쓴 《리 스몰린의 시간의 물리학》이 출간되었다. 《Time Reborn(시간의 재탄생)》이라는 제목으로 출간된 원서는 2013년 출간된 이래로 현대 물리학에서 이루어지고 있는 시간에 대한 연구를 이해하기 위해서는 반드시 읽어야 할 필독서로 여겨져왔으며, 시간의 물리학에 관한 논의를 가장 포괄적이고 입체적으로 다루고 있는 책으로 평가받고 있다. 카를로 로벨리는 《만약 시간이 존재하지 않는다면》에서 몇 쪽에 걸쳐 리 스몰린과 이 책에 대해 이야기한 다음 마지막에 이렇게 덧붙이기도 했다. “스몰린과 나는 처음 협력하기 시작했던 연구 초기부터 늘 열정적으로 논의를 지속해왔고, 서로 대립적인 의견을 내는 경우도 많았다. 이것이 바로 과학의 매력이다. 완전히 대립하면서도 그러한 대립 때문에 이루어지는 토론을 통해 서로 배울 수 있고, 반대되는 의견을 가지고 있을지라도 친형제처럼 가까이 지낼 수 있는 것이다.”

그렇다면 로벨리를 비롯한 주류 물리학자의 입장과 스몰린의 의견은 어떻게 다른 것일까? 이 책은 그 둘이 대립하는 아래와 같은 쟁점들을 다루면서 각 주장의 근거는 무엇인지, 하지만 왜 최신 물리학은 이중 후자인 스몰린의 입장에 더 무게를 실어주는지를 차근차근 밝힌다.

● 시간은 환상이다. vs. 시간은 세계에 대한 우리의 지각에서 가장 실재적인 측면이다.
● 공간과 기하학적 구조는 실재적이다. vs. 공간은 창발적이고 근사적인 것이다.
● 미래는 물리법칙에 의해서 결정된다. vs. 미래에 대한 완벽한 예측은 불가능하다.
● 우주는 공간적으로 무한하다. vs. 우주는 공간적으로 유한하다.
● 양자역학은 최종적인 이론이다. vs. 그것은 아직 알려지지 않은 우주론적 이론에 대한 근사이다.

모든 것은 시간 속에서 진화한다. 양자도, 고양이도, 물리법칙도!
현대 물리학과 우주론의 난제에 ‘시간’을 도입하는 것의 의미는 무엇인가

양자역학을 비롯한 물리학은 흔히 시간과 관계없이 보편적으로 적용되는 법칙을 찾는 학문으로 여겨진다. 양자는 마치 마법처럼 시간과 공간을 초월하여 거동하는 것처럼 보이고, 물리학 연구의 대상 또한 시간의 영향을 받지 않는, 공간 속의 존재로 가정된다. 그래서 지금 여기에서 참인 물리법칙은 마치 수학법칙처럼 영원불변하는 진리일 것으로 간주되며, 어떤 사람들은 모든 원자의 정확한 위치와 운동을 알면 미래를 완벽하게 예측할 수 있다고 생각하기도 한다. 즉, 미래를 현재를 계산함으로써 얻어지는 논리적 귀결로 여기는 것이다. 이런 관점에서 시간은 결과를 지연시키는 요인일 뿐 물리법칙의 작용에 영향을 미치는 조건으로 기능하지는 않고, 물리법칙은 비시간적인 것으로 이해된다. 이는 모든 입자에 대해 충분한 정보가 있으면 완벽한 예측이 가능하고, 원인과 결과의 대칭성에 근거하여 물리법칙을 역으로도 통제할 수도 있다는 발상으로도 이어진다.

하지만 리 스몰린은 바로 이런 관점이 오늘날 이론물리학과 우주론을 막다른 곳에 다다르게 했으며, 우주를 이해하기 위해서는 오직 한 방향으로 흐르면서 존재에 영향을 미치는 시간을 중요한 변수로 고려해야 한다고 주장한다. 이는 곧 모든 물질이 과거의 영향이라는 제약하에 있음을, 법칙 또한 그것을 지금과 같이 만들어온 메커니즘이 있음을, 그리고 물질과 법칙이 서로 영향을 받으며 진화해왔음을 이해해야 한다는 것을 뜻한다. 생명이 발생하지 않았다면 진화론적 자연선택이라는 법칙 또한 없었을 것이 분명한 것처럼 우주가 지금과 같이 발생하지 않았다면 물리법칙도 지금과는 달랐을 것이기 때문이다.

예를 들어보자. 양자역학에서는 한쪽에 있는 양자의 관측이 그곳에서 멀리 떨어져 있는 양자의 상태에 즉시 영향을 미치는 현상이 관측되는데, 오늘날의 양자역학은 그저 이것이 두 입자의 ‘얽힘’ 때문이라고 묘사할 뿐 거동 원리에 대해 충분히 설명하지는 못한다. 광대한 거리를 사이에 두고 빛보다 빠른 속도의 신호로 통신하는 입자들이나, 무엇이 측정되는지 또는 누가 관측하는지에 따라 달라지는 실재에 대한 설명(불확정성의 원리) 역시 마찬가지다.

이런 이유로 ‘슈뢰딩거의 고양이 역설’처럼 어떻게 고양이가 죽어 있으면서 동시에 살아 있는 것처럼 양자에 두 상태가 중첩되어 있을 수 있는지, 만약 물질을 구성하는 기본 원자의 거동이 그러하다면 왜 고양이는 양자처럼 거동하지 않는지와 같은 의문이 제기된다. 책에서는 이에 대해 다음과 같이 묻는다. ‘당신은 왜 양자가 언제나 지금과 같이 거동했으리라 전제하는가? 그렇지 않을 수도 있지 않은가? 초기 우주의 존재들이 서로 긴밀하게 연결되어 있었다면 어떨까? 그리고 그때 이루어진 작용이 지금까지 영향을 미치는 것이라면?’ 스몰린은 이러한 질문에서부터 시작하여 상대성이론과 열역학을 비롯한 지금까지의 과학적 발견을 아우를 수 있는 우주론과 양자이론을 찾아간다.

우리가 경험하는 세계의 가장 근본적인 측면, 시간이란 도대체 무엇인가
과학적이고 철학적으로 시간을 사유하고 싶은 모두를 위한 시간의 물리학

학계 최전선의 논의를 다루면서도 동시에 해당 학문의 훌륭한 입문서로 기능하는 책들이 있다. 이 책이 바로 그렇다. 책에는 수식이 나오지 않으며, 핵심적인 질문은 가능한 한 가장 단순한 예를 통해 설명하고 있다. 논증을 따라가기 위해 독자가 알아야 할 모든 것은 책 속에서 설명되므로 물리학이나 수학에 배경지식이 없는 사람들도 충분히 읽을 수 있다. 사실 시간이 실재한다는 주장은, 우리의 직관과 매우 부합하는 주장이기도 하다. 그렇다. 우리가 살면서 느끼는 바로 그 시간 말이다! 스몰린은 그것이 물리학에도 매우 중요하다는 이야기를 하고 있는 것이다. 하지만 이것은 물리학에만 국한된 논의는 아니며, 매우 철학적이고 실존적인 주제를 건드리기도 한다. 시간 속에 몸소 존재해온 우리는 시간을 감각했던 경험을 바탕으로 시간이라는 물리적 실재를, 그 속에서 변화해왔고 변화해갈 우주와 우리의 삶을 다시 바라볼 수 있을 것이다. 또한 이 책은 아주 구체적인 실재를 주요한 탐구 대상으로 삼고 있지만, 그 과정에서 과학에서 한 발 떨어져 학문의 생태를 바라보는 과학철학적 관점에 대해서도 많은 것을 말해주고 있으므로 존재와 시간뿐 아니라 과학이라는 학문에 대해서까지 철학적으로 사유해보고 싶은 사람에게도 도움이 될 것이다.

〈1부. 무게: 추방된 시간〉에서는 시간을 환상으로 여기는 데에 큰 영향을 미친 과학의 패러다임을 소개한다. 여기에서는 과학사에서 이루어진 시간 개념의 발전을 개괄적으로 살펴보고 해당 개념이 어떻게 약화되었는지 알아본다. 〈2부. 빛: 다시 태어난 시간〉에서는 법칙을 진화시키는 ‘우주론적 자연선택’의 원리를 파악하기 위해 ‘왜 이러한 법칙이 선택되었는가?’, ‘왜 이러한 초기 조건이 주어졌는가?’라는 질문을 던지고, 시간을 과학의 핵심에 다시 도입해야 한다는 주장을 뒷받침하는 최근 물리학의 발견과 학계에서 부딪치는 쟁점, 그에 답하고자 하는 여러 이론이 본격적으로 다루어진다. 이 책을 통해 독자들은 시간 속에서, 시간과 더불어 사유한다는 것의 의미를 새롭게 느낄 수 있을 것이다.

“내가 탐구의 여정에서 얻은 것은 시간이 실재한다는 단순한 진술 속에 얼마나 혁신적인 개념이 녹아 있는지에 대한 깨달음이다. 나는 시간에 얽매이지 않는 방정식을 찾기 위해 과학자로서의 삶을 시작했지만, 이제 우주의 가장 심오한 비밀은 우주가 시간 속에서 순간순간 그 본질을 펼쳐놓는 방식에 있다고 믿는다.”_여는 글에서