우주 빅뱅(Big Bang) 탄생과 함께 시작된 시간, 근원과 의미 찾는 노력 계속

 

 

아직도 은행 체크를 적을 때면 2016년이라고 적지 않기 위해 신경을 곤두세우게 되는데, 벌써 시간은 2017년 1월 중순을 훌쩍 넘어버렸습니다. 쏜살 같이 날아가는 시간의 흐름 속에서 매일 매일 약속한 시간을 체크하며 살아가는 우리들에게 ‘시간’이라는 개념은 가장 친숙한 일상의 한가지처럼 느껴집니다. 하지만, ‘시간’이란 과연 무엇인가라는 질문에 선뜻 답하기는 쉽지 않습니다. ‘뭐 그런 당연한 걸 물어?’라고 반문할 수도 있지만, 그렇다 하더라도 정확한 답을 말하는 사람은 많지 않을 것입니다. 솔직히 누군가 정확히 시간이 무엇이라고 말한다면, 일단은 의심부터 해봐야 하지 않을까 생각합니다. 철학적으로도, 과학적으로도 ‘시간’이라는 개념은 가장 흔히 사용되고 있는 개념이면서 동시에 아직도 그 근본적인 정의에 대해 명확한 답을 찾지 못한 모호한 개념이기 때문입니다.

 

‘쏜살같이’라는 표현에서와 같이 많은 경우 우리들은 시간을 하나의 흐름으로 이해합니다. 강이 흐른다면, 그 물줄기의 수원지가 있듯이, 시간이 흐름이라면 그 시작점이 있어야 할 것입니다. 현재의 과학은 시간 역시 우주(Universe)가 시작된 빅뱅(Big Bang)의 순간에 함께 시작되었다고 설명합니다. 물론, 시간이라는 것은 그 이전부터 존재하였고 어느 한 ‘시점’에 빅뱅이 일어나 우주가 팽창되기 시작되었다고 주장하는 이들도 있습니다. 후자의 경우는 우주가 존재하기 전부터 시간이 존재하여야 하기 때문에 시간은 우주로부터 독립적인 개념이 되어버리기에 과학적으로 설명이 불가능해집니다.

 

19세기 이전, 뉴튼 물리학이 지배하던 시절에는 공간과 더불어 시간은 우주에 고정되어 있는 좌표와 같은 것이라고 생각되었습니다. 이를 물리학에서는 장(Field)라고 부르는데, '시간의 장'과 '공간의 장'이 펼쳐진 우주에 여러가지 현상들이 벌어지는 것이라고 본 것입니다. 이는 외부 현상에 의해 변화하지 않는 절대적인 값으로, 완벽한 신에 의해 창조된 우주라는 종교적인 개념과 상보적인 개념이었습니다. 이러한 절대공간, 절대시간의 개념은 19세기초 아인슈타인의 상대성이론에 의해 철저히 붕괴되었습니다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면, 공간과 시간은 관찰자의 움직임과 그 질량에 의해 변화되는 것으로서 개개인은 서로 다른 시공간을 갖고 있다고 설명합니다. 빛의 속도에 가깝게 여행할 수 있는 사람이 있다면, 한 자리에 가만히 머물러 있었던 사람에 비해 그 시간이 천천히 흘러 더 젊을 수 있으며, 지구로부터 높은 곳으로 올라가 중력의 영향이 약해진다면 시간이 천천히 흐르는 시간 지연 효과가 약해서 시간이 더 빠르게 흐를 수 있는 요인이 됩니다. 이러한 현상들은 단지 이론적인 설명이나 궤변이 아니라, 실제 우리들의 생활 속에서 일어나고 있는 것으로서, 높은 고도에 위치한 인공위성들의 시간을 정확히 맞추기 위해서는 이러한 상대성이론적 보정을 하지 않을 수 없습니다.

 

시간의 또 다른 성질 중의 하나는 시간이 한 방향으로만 흐르며, 이를 역행하는 것은 불가능하다는 것입니다. 이를 뒷받침하는 물리법칙은 열역학 제 2법칙, 즉 엔트로피의 법칙입니다.  엔트로피(entropy)란 시스템이 얼마나 복잡하고 무질서한가를 말하는 물리량인데, 이 우주는 엔트로피값이 증가하는, 즉 더욱 더 무질서해지는 방향으로만 흐른다는 것입니다. 그렇기에 엔트로피가 다시 줄어들 수 있는 방향, 즉 과거로 돌아가는 것은 불가능하다는 것입니다. 우주가 최초의 한 점에서부터 지금까지, 그리고 앞으로도 변화없이 팽창하는 방향으로만 나아갈 것이라는 것과 시간은 한 방향으로만 흐른다는 것이 같은 내용이라고 볼 수 있습니다. 더 나아가 시간은 양자역학적으로 불연속적, 즉 양자화(quantized)되어 있습니다. 너무나 작은 간격이기에 그 간격을 느낄 수 없어 우리는 시간이 연속적인 것으로 생각하지만, 이론적으로 가장 작은 시간 간격은 플랑크 시간이라고 불리며, 그 값은 10^-43초에 해당합니다.

 

맹인이 코끼리를 손으로 만지며 그것이 어떤 것인지를 가늠하듯, 우리는 현대 과학으로 시간에 대해 조금 가늠해 볼 수 있을 뿐인데, 현재까지 과학자들에 의해 밝혀진 ‘시간’이라는 물리량의 특징은 우주가 시작된 빅뱅에서부터 시작되어 온 우주의 팽창과 함께 한방향성을 갖고 진행되고 있는 매우 작은 단위의 불연속적 흐름을 말한다고 볼 수 있습니다. 이러한 시간을 측정하여 우리는 일련의 사건들 간의 시간 간격을 결정합니다. 이러한 시간 간격을 측정하여 실질적으로 이용하기 위해 개념 자체의 정의보다 중요한 것은 표준값의 정의입니다. 표준값이란 측정의 기준단위를 말하는 것으로 현재 우리가 사용하고 있는 1초에 대한 정확한 정의는 1967년에 만들어졌습니다. 당시 가장 정확하게 측정할 수 있었던 세슘원자를 이용해서, 세슘원자에서 방출되는 빛의 진동수가 9,192,631,770번 진동하는데 걸리는 시간을 1초라고 정의했습니다. 시간에 대한 정의를 이렇게 괴상하게 했을까라고 생각하시는 분들도 계실 수 있지만, 모든 값들의 표준치는 주위 환경에 의해 변화가 거의 일어나지 않는 값을 이용해야 하기 때문에 그러한 방법을 사용한 것입니다. 예를 들어 1미터를 정의하는 막대 자가 있는데, 그 자가 온도에 따라서 엿가락처럼 늘어나기도 하고, 줄어들기도 한다면 표준치로 사용이 불가능하다는 것을 쉽게 이해하실 있으실 것입니다. 동일한 이유로 여러가지 외부 요인에 영향을 받지 않으며, 1초에 가장 정확한 값을 측정하는 데에 사용될 수 있는 값으로 인정받아 세슘원자 방출에너지의 진동수가 당시에 1초에 대한 정의로 이용된 것입니다. 현재는 이보다 더 정확하게 1초를 정의할 수 있는 방법들이 있기는 하지만, 현재까지도 이 정의가 유지되고 있습니다.

 

모두가 다들 아무 문제없이 사용하고 있는, 뭐라 정확히 표현하지 못할 뿐, 누구나 그게 무엇인지는 통념적으로 이해하고 있는 ‘시간’이라는 개념의 궁극적 정의를 찾는 것이 뭐 그리 중요한지 모르겠다고 생각하시는 분들도 계실 것이라고 생각됩니다. 하지만, 누구나 당연하다고 생각하는 것들조차 의심하고 증명하려고 하는 것이 우주의 근본 법칙을 찾아 낼 수 있는 접근의 첫 걸음이 아닐까 생각합니다.