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시간과 공간이 허상에 불과할 수도 있는 이유

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작년 가을, 물리학계는 중력의 힘에 대한 현대적 이해의 기초를 만든 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 100주년을 축하했다. 아인슈타인의 이론은 가끔은 과학자들도 감염되곤 하는 심드렁한, 볼 건 이미 다 봤다는 태도의 궁극적 해독제가 되었다. 블랙홀과 빅뱅, 암흑 에너지, 중력파까지, 끊임없이 놀라움을 주는 우주를 우리에게 열어 주었다. 우리가 쉽게 빠지곤 하는 생각의 틀에서 벗어나게 해준 것이다.

그러나 이론을 만든 지 얼마 되지 않아 아인슈타인은 문제를 발견했다. 양자역학에 어긋났던 것이다. 이는 기초 물리학의 두 가지 핵심을 통합하기 위해서는 더욱 깊은 이론이 필요하다는 것을 암시했다. 1916년에 아인슈타인은 이렇게 적었다. "양자론은 맥스웰 전기 역학뿐 아니라 새로운 중력 이론도 수정하게 될 것이다." 그때는 양자론이 존재하지도 않았다는 것을 생각하면 대단한 통찰이었다. 당시 양자론은 흐릿한 아이디어였고, 10년이 지난 뒤에야 하나로 통합되었다. 그러므로 우리는 일반 상대성 이론뿐 아니라 그것을 대체하기 위한 길었던 노력의 100주년도 기리고 있는 셈이다.

일반 상대성 이론은 한 명의 천재가 10년 안에 만들어 낼 수 있었던 반면, 중력의 양자론은 한 세기 동안 여러 세대의 천재들을 당혹스럽게 했다. 물리학자들은 과거의 성공의 피해자이기도 하다. 무언가를 성취하면 기준이 높아지고, 다음 단계로 나가기가 훨씬 어려워진다. 그러나 양자 중력은 과학사에서 독특한 어려움을 제기하기도 했다. 중력 이론은 시공간의 이론이기도 하다. 아인슈타인의 위대한 통찰이었다. 그러나 물리학자들은 늘 시공간 안에서 이론을 만들어 왔다.

중력 이론은 자기 꼬리를 문다. 예를 들면 중력 이론에서는 시간의 흐름이 달라진다고 상정하는데, '달라진다'는 단어 자체가 시간의 제약을 받는다는 것을 내포하고 있다. 만약 시간이 달라진다면, 시간의 기준 자체가 달라진다. 상황 전체가 패러독스가 된다. 이러한 개념적 순환은 수학적 어려움을 낳는다. 예를 들어, 물리학자들이 시간을 지칭하는데 쓰는 't'가 등식에서 빠지게 되고, 물리학자들이 세상의 변화를 설명할 수 없게 된다. 일어나는 일을 설명하기 위해 물리학자들은 시공간 너머로 가야 한다. 그게 무슨 뜻일까? 이러한 개념들 때문에 우리는 문자 그대로 아무도 가본 적이 없는 영역으로 들어가야 한다.

nebula

끈이론, 루프 양자 중력 이론, 인과 관계 집합 이론들은 이론가들이 선택한 접근법들의 일부에 불과하다. 물론 각 이론의 지지자들은 다른 이론의 지지자들은 잘못 생각하고 있다, 심지어 비과학적이라고 확신한다. 그러나 논쟁에서 한 걸음 물러서서 바라보면, 모두 한 가지 본질적인 교훈에는 동의하고 있다는 걸 알 수 있다. 우리가 존재하는 시공간은 구조물이라는 것이다. 근본적인 것은 아니나, 현실의 더 깊은 층위에서 나오는 것이다. 어떤 식으로든 시공간은 공간의 '원자'라고 할 원시적 블록으로 구성되며, 이런 블록들이 조립되는 방식과 비슷한 성격을 지닌다.

이런 '원자'들은 수소나 산소 같은 평범한 원자와는 전혀 다르다. 일단 이들은 작지 않다. '작다'는 단어 자체가 공간적 설명이며, 이 원자들은 공간을 만들 뿐 공간을 추정하지 않는다. 그렇지만 똑같은 원칙들이 상당수 적용된다. 예를 들어 물은 H2O 분자로 구성된다. 이 분자들이 새로운 구조로 바뀌며, 물은 얼거나 끓는 등 상태 변화를 겪을 수 있다. 공간도 마찬가지다. 만약 이 원자들이 합쳐져 공간이 될 수 있다면, 다른 구조로도 될 수 있다. 현대 물리학의 여러 미스터리가 이것으로 설명될 수도 있다.

블랙홀을 생각해 보라. 당신이 블랙홀에 떨어진다면 아인슈타인의 이론에 의하면 당신의 타임라인은 끝난다. 당신은 죽겠지만, 그것이 다가 아니다. 당신 몸의 원자들이 존재하지 않게 된다. 재는 재로, 먼지는 먼지로...... 가 아니라, 재가 무(無)가 된다. 새로 등장하는 시공간 이론들에서는 우주가 블랙홀에서 상태가 변하는 것을 다른 식으로 묘사한다. 블랙홀은 내부 용적이 없다. 블랙홀의 경계에서는 우주가 녹는다. 그 결과, 공간적이지 않으며 인간이 상상조차 하기 힘든 새로운 상태가 생긴다. 당신이 거기에 빠지면 아마 당신은 죽겠지만, 당신 몸의 원자들은 다른 형태로 계속 존재할 것이다.

그리고 빅뱅도 생각해 보라. 블랙홀처럼 빅뱅은 늘 패러독스를 내포했다. 시간 안에서 작용하는 평범한 물리학 법칙은 시간의 시작을 설명하는 것이 본질적으로 불가능하다. 보통 물리학 법칙에 따르면 빅뱅을 시작하게 만든 무언가가 그 전에 있어야 한다. 그러나 빅뱅 이전엔 아무것도 있을 수 없다. 이 패러독스에서 빠져나가려면 빅뱅이 시작이 아니라 전환이라고 생각하는 것이다. 우주가 우주 없음의 태곳적 상태에서 결정을 이루게 되는 것이다.

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마지막으로 양자 비위치라는 수수께끼 같은 현상이 있다. 아인슈타인은 이것을 '멀리서 일어나는 이상한 일'이라고 불렀다. 두 개 이상의 입자가 아무리 멀리 떨어져 있어도, 음파를 보내거나 무선 신호를 보내거나 서로 어떤 신호를 보내지 않으면서도 함께 움직일 수 있다. 이 입자들은 떨어져 있지 않은 것처럼 움직인다. 한 가지 설명은 이 입자들은 거리가 의미가 없는 현실의 더 깊은 수준에 뿌리를 내리고 있다는 것이다.

이 모든 것은 물론 아직 추정이다. 그러나 속박 추정이다. 과학자들이 술을 마시며 떠올린 생각들이 아니다. 아인슈타인의 이론, 양자론의 원칙들을 합쳐 나아가다 보니 제기된 생각들이다. 연구의 특성상, 우리는 이런 생각들이 무슨 뜻을 갖는지, 옳긴 한지 알 수가 없다. 그러나 우리는 인간들이 우주에 대해 다 알지 못한다는 것은 알고 있다. 그리고 다음 단계로 나가게 되면 우리의 더 넓은 문화로 영향이 미칠 것이다. 새로운 것을 배우면 더 나은 사람이 되듯, 우주에 대해 새로운 것을 배우면 인류가 다음 단계로 나갈 수 있을 것이다.

허핑턴포스트US의 Why Space and Time Might Be an Illusion를 번역, 편집한 것입니다.