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[과학이야기] 시간지연 우주여행과 상대론적 시간(下)이장로 이학박사(고려대)
  • 포커스데일리
  • 승인 2020.02.15 10:42
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(서울=포커스데일리) 앞에서는 주로 시간표준의 정의에 대해 살펴보았다. 여기에서는 고전적 시간개념의 운명론, 상대론적 시간의 비결정론  등을 시간에 관한 에피소드와 더불어 알아 보고자 한다.

아인스타인(Einstein)에 따르면 시간은 제 4차원의 좌표로서 시공간이라는 4차원 세계(3차원 공간+1차원 시간)의 한 좌표이긴 하지만 성질만큼은 공간의 성질과 전혀 다르다. 공간 속에서 우리는 앞뒤, 좌우, 상하로 마음대로 움직일 수 있다. 그러나 시간의 방향은 오직 한쪽, 즉 미래라 불리는 방향으로만 고정되어 있다.

따라서 우리는 현재를 뛰어 넘어 곧장 미래로 가거나 또는 과거로 갈 수가 없다. 사건들은 언제나 과거에서 미래를 향해 흐르지 그 반대로는 절대로 흐르지 않는다. 시간은 거꾸로 흐를 수 없다.  영국의 공상과학 소설가 허버트 조지 웰즈(H. G. wells)의  ‘타임머신(time machine)’ 같은 공상과학소설에서는 쉽게 이루어지는 이 시간여행도 완전히 공상일 뿐 현실적으로 불가능하다.

어떤 사람이 ‘타임머신’을 타고 과거의 세계로 돌아가서 어릴 때의 자기자신을 보게 되는, 여행자의 자기모순적인 역설(Paradox)을 한번 생각해 보자. 만약 그가 그 아이(어릴 때의 자기자신)를 죽인다면 그 순간 그 아이가 죽고 말았으니 여행자 그 자신도 꺼져 없어질 것인가 아니면 그대로 살아 있을 것인가?

여행자 자신은 존재하면서도 그 아이는 더 이상 존재하지 않게 되는 모순에 빠지게 된다. 스티븐 앨런 스필버그(Steven Allan Spielberg)감독이 만든 영화 ‘미래세계로의 여행’은 재미있는 영화이긴 하지만 엄격하게 따져보면 논리적 모순으로 가득 찬 공상영화에 불과한 것이다.

뉴튼(Newton)은 시간을 “절대적으로 참된 수학적 시간은 외부와 관계를 갖지 않은 채 스스로의 성질에 따라 균일하게 흐르며 무한한 과거로부터 무한한 미래로 그저 흘러가며 지속하는 것”이라고 정의하였다.

즉 시간은 항상 일정하고 고른 속도로 무한한 과거로부터 지금 이 순간을 거쳐 무한한 미래로 직선적으로 흘러간다는 뜻이다. 따라서 뉴튼의 이러한 고전적인 절대시간 개념에 따르면 시간은 외부로부터 아무런 영향력도 받지 않고 그 자체의 성질에 따라 똑바로 나아가기 때문에 단 한가지 밖에 있을 수가 없다. 그러므로 그러한 시간의 흐름에 따라 만들어지는 세계도 하나뿐일 수 밖에 없다.

즉 뉴튼에 의하면 우리의 과거가 한 가지인 것과 마찬가지로 미래도 단 한가지뿐이다. 만약 신이 존재하여 어느 순간 우주의 모든 물체를 구성하는 분자나 원자의 처음 위치와 처음 속도를 알 수 있다면 시간은 늘 일정한 속도로 흐르기 때문에 그 분자의 과거 및 미래의 위치를 정확히 계산해 낼 수 있게 된다.

즉 그런 신의 존재를 믿는다면 우주의 과거와 미래를 모조리 예언할 수 있다는 것이다. 인간의 미래, 국가 나아가 우주전체의 미래마저 전부 결정되어 있다는 것이다. 이른바 이것을 뉴튼의 고전론적 시간개념에 따른 기계론적 결정론 또는 운명론(fatalism)이라 할 수 있다.

그러나 시간의 본질은 아인스타인의 상대성 이론(theory of relativity, 1905년 및 1915년)에 의해 달라졌고 또 하이젠베르그(Heisenberg)의 불확정성원리(uncertainy principle, 1927년)에 의해 다시 한번 크게 다르게 해석되게 되었다.

상대론적 시간개념에 따르면 시간은 구부러진 시간 축을 따라 균일하지 않은 속도로 흐를 뿐만 아니라 그 시간축의 휘어진 정도나 공간축과의 기울기는 그때 그때마다 거기에 작용하는 힘의 성질이나 물질의 분포에 따라 달라진다.

그 결과, 이제 시간은 단 하나만 있을 수 있는 것이 아니라 관찰자의 운동상태나 그 주변의 상태에 따라 무수히 많이 존재할 수 있게 되었다. 그 한 예로 특수상대성이론의 시간지연(time dilation) 현상이 있다. 즉  운동하는 시계로 측정한 시간간격이 정지해 있는 시계로 잰 시간간격보다 더 길다. 다시 말해서 운동하는 사람의 시간이 늦게 간다는 말이다.

이런 시간지연은 우주여행을 다녀오면 젊어 진다는 말로 이해할 수 있다. 움직이는 우주선을 타고 시간을 보내면 시간이 지연되어 나이를 덜 먹게 된다는 것이다.

이 현상과 관련하여 기독교의 성경이나 불교계의 불경에서도 천국(천상계)의 하루가 이세상의 60일, 천일로 비유하는 영생과 관련한 이야기 등도 우주여행 시간지연과 연관성을 가진 것으로 보인다.

그러나 이러한 상대성이론으로서는 아직 뉴튼의 기계론적 결정론이 완전히 극복될 수는 없었다. 그 후 1927년에 하이젠베르그가 불확정성 원리를 발표하였다.

여러 실험을 통하여 확인된 이 원리에 의하면 원자는 물론이고 모든 물체의 초기위치와 초기속도는 동시에 정확히 결정할 수 없다는 것이다. 다시 말하면 어느 물체의 초기위치를 정확히 알면 초기속도에 대해서는 전혀 알 수 없게 된다는 뜻이다. 또 초기속도를 정확히 알면 초기위치에 대해서는 전혀 모르게 된다는 것이다. 이 불확정성원리가 사실이라면 신도 이제는 어쩔 수 없게 된다. 어떤 순간이 우주의 모든 전자의 초기위치와 초기속도를 확정할 수 없다면 우주의 미래를 예측할 수도 없는 것이다.

이렇게 운명론이 설 자리를 잃게 되면 미래에 대한 우리의 생각도 달라진다. 즉 미래는 단 하나로 결정되어 있는 것이 아니고 여러 개가 되어 선택의 폭이 넓어진다. 이렇게 다양한 미래는 우리에게 희망을 안겨줄 수 있게 된다.

따라서 우리의 노력여하에 따른 선택에 따라 이 다양한 많은 미래 중에서 희망에 찬 미래를 맞이할 수있을 것이다.  우리 모두는 미래가 선택 가능하다는 것을 믿고, 보다 나은 미래를 위하여 항상 최선의 노력으로 무한히 정진하여야 할 것이다.

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