생전의 스티븐 호키킹. 출처 : 더 나아가 콤보 완화(Lwpkommunikcci / / Flickr, CC BY-SA, CC BY-SA) 지난달 영국에서 발간된 이론물리학자 스티븐 호킹 박사의 유문장 ‘어려운 질문에 대한 간단한 답변(Brief Answer to the Big Question)’이 과학계. 그야말로 과학계의 큰 질문에 대한 견해를 담고 있기 때문이다.

미국 CNN에 따르면 호킹은 이 책에서 “신은 없다. 아무도 우주를 관장하지 않는다”, 종래의 무신론적 입장을 견지했다. 호킹은 또 “우주에 지적 생명체들이 있다”, “우리가 더 발전할 때까지 (우주 생명체의 존재에 대한 질문에) 답을 주의할 필요가 있다”고 말했다. 이런 외계 생명체의 존재도 생전 호킹의 지론이었다.

특히 호킹은 시간여행 가능성을 언급했다. 호킹은 고문집에서 “현재의 이해 정도를 근거로 볼 때 시간여행 가능성을 배제할 수 없다”, “수세기 안에 인간이 태양계 어디든 여행할 수 있을 것”이라고 전망했다. 그러나 과거로의 시간여행까지 가능하게 한 것은 아니다. 시간순서 보호 가설(The Chronology Protection Conjecture)은 그가 평생 유지한 지론이다.

최근 세계적인 대안 언론인 ‘더 컨버세이션(The Coversation)’은 스티븐 호킹의 유작 발간 무렵에 영국 노팅엄대 입자우주론 그룹(물리학·천문학대) 피터 밀링턴 연구원의 ‘아인슈타인과 호킹, 그리고 시간여행’에 관한 과학 에세이(원제:Stephen Hawking’s fintone

다음은 기사 전문을 번역한 내용이다.

만약 어떤 사람이 시간여행 연구를 위한 보조금을 신청했다면 그 제안은 즉시 묵살된 것이다.”

물리학자 스티븐 호킹의 유작 ‘어려운 질문에 대한 간단한 답변(Brief Answer to the Big Question)’에 나온 글귀다. 그는 옳았다. 그러나 시간여행 가능 여부를 묻는 것은 여전히 과학적으로 접근하기에는 매우 심각한 문제라는 그의 주장도 옳다. 우리의 현재 이해 수준으로는 시간여행을 배제할 수 없다고 주장하는 스티븐 호킹은 매우 조심스럽게 낙관적인 듯하다. 그러면 우리는 지금 어떤 상태에 있는가. 오늘 당장은 타임머신을 만들 수 없는데 미래에는 할 수 있을까?

우리의 일상적인 경험부터 시작해보자. 우리는 이 세상 어디에 있든 친구나 가족에게 전화를 걸어 그들이 ‘지금’ 무엇을 하고 있는지 알아내는 것을 당연시한다. 하지만 여기에는 우리가 실제로는 절대로 알 수 없는 무언가가 있다. 이들의 목소리와 이미지를 담은 신호는 인식할 수 없을 정도로 빠르게 진행되지만 신호가 우리에게 도착하기까지는 시간이 좀 걸린다.

우리가 멀리 있는 누군가의 지금에 접근할 수 없다는 것은 알버트 공간과 시간에 관한 아인슈타인 이론의 핵심이다.

빛의 속도

아인슈타인은 공간과 시간은 시공간의 일부이며 우리는 공간에서 거리가 있는 것처럼 시간의 거리에 대해서도 생각해야 한다고 말했다. 이상하게 들릴지 모르지만 누군가 버밍엄에서 런던까지 얼마나 떨어져 있느냐고 물으면 흔쾌히 2시간 30분이라고 답한다. 수학적으로 한국의 표현은 버밍엄이 런던에서 약 200km 떨어져 있다고 말하는 것과 같다.

물리학자 브라이언 콕스와 제프 포쇼는 이들의 책 왜 E=mc인가에서 시간과 공간은 속도의 통화(currency)를 가진 무엇인가를 통해 상호 변환할 수 있다고 썼다.

아인슈타인의 지적 도약은 시간으로 시공간 거리의 교환 비율이 보편적이라고 가정하는 것이고 그것이 빛의 속도라는 것이다.

빛의 속도는 모든 신호 중 가장 빠른 신호이며, 우주의 다른 곳에서 발생하고 있다는 것을 우리가 얼마나 빨리 알 수 있는지에 대한 근본적인 한계를 설정한다. 이는 우리에게 인과관계를 주며, 이 법칙은 항상 원인이 있는 뒤에 결과가 도출된다는 것이다.

그것은 시간여행자들에게 이론적이지만 심각한 고민이다. 내가 시간을 거슬러 여행하여 나의 출생을 막는 행위를 하는 것은 나라는 결과를 나의 출생이라는 원인 이전에 두는 것이다.

만약 빛의 속도가 보편적이면 우리는 아무리 빨리 움직인다 해도 이를 진공상태에서 초당 299,792,458m로 측정해야 한다. 아인슈타인은 빛의 속도가 절대적이라면 그 결과 공간과 시간 자체는 절대적이지 않음을 깨달았다. 그리고 움직이는 시계가 움직이지 않는 시계보다 느리게 움직여야 한다는 것이 밝혀졌다.

만일 내가 믿을 수 없는 속도로 우주여행을 하고 지구로 돌아왔다면 나에게는 시간이 지구에 남아 있던 누구보다도 천천히 흘렀을 것이다. 모든 사람들이 내가 나보다 나이가 많다고 단정할 것이다. 입장을 바꾸면 나는 다른 사람들이 나보다 나이가 더 많다고 이해할 것이다.

빨리 움직일수록 시간은 더 천천히 흐른다. 상대성이란 단어가 핵심이지만 시간은 빠르게 지나가는 당신에겐 평소처럼 흘러가는 것처럼 보이지만 가만히 있는 사람에게는 시간이 느리게 흘러가는 것처럼 보인다. 빛의 속도만 빠르게 움직이면 시간이 얼어 있는 것처럼 보일 것이고, 다른 사람은 빠르게 앞으로 나아가는 것처럼 보일 것이다.

그렇다면 우리가 빛보다 빨리 여행한다면 공상과학소설이 우리에게 가르쳐 준 것처럼 시간을 과거로 되돌릴 수 있을까?

불행히도 사람을 빛의 속도 이상은 말할 것도 없고, 빛의 속도만큼 가속시키는 데도 무한한 에너지가 필요하다. 설령 가능하다고 해도 시간은 단순히 뒤로 움직이는 것이 아니다. 대신 앞과 뒤에 대해 말하는 것은 더 이상 의미가 없을 것이다. 인과관계의 법칙은 위반되고 원인과 결과의 개념은 의미를 잃게 될 것이다.

웜 홀

아인슈타인은 또 중력은 (물체의) 질량이 공간과 시간을 왜곡하는 과정의 결과라고 말했다. 우리가 공간의 영역에 더 많은 질량을 집어넣을수록 더 많은 시공간이 왜곡되고 시간은 더 늦어질 것이다. 우리가 충분히 많은 질량을 밀어넣으면 시공간은 너무 휘어져 빛조차도 그 중력에서 벗어날 수 없는 블랙홀이 형성된다. 그리고 만약 우리가 블랙홀의 가장자리인 사건의 지평선에 접근한다면 시간은 블랙홀에서 멀리 떨어져 있는 사람들에 비해 상대적으로 무한히 늦어질 것이다.

그렇다면 우리가 시공간을 돌게 해서 과거로 시간여행을 할 수 있을까.

해답은 어쩌면 우리가 필요한 공간의 곡선은 통과 가능한 웜홀이다. 그러나 우리는 그것을 안정화하기 위해서는 음의 에너지 밀도 영역을 생성해야 하는데 19세기 고전 물리학은 이를 금지하고 있다. 하지만 현대의 양자역학 이론은 금지하지 않을 수도 있다.

양자역학에 따르면 빈 공간은 비어 있지 않다. 대신 그것은 존재가 나타났다 사라졌다 하는 입자조로 가득 차 있다. 만약 우리가 다른 곳보다 적은 입자가 생긴 공간을 만들 수 있다면 그 공간은 소리의 에너지 밀도를 갖게 될 것이다.

그러나 양자역학과 아인슈타인의 중력이론을 결합한 일관된 이론을 찾는 일은 이론물리학에서 가장 큰 도전 중 하나다. 하나의 후보인 「끈 이론(보다 정확하게는 M이론)」이 새로운 가능성을 제시해 줄지도 모른다.

M이론에서는 시공간이 11차원을 가져야 한다. 우리가 이동하는 1차원의 시간과 3차원의 공간, 그리고 7개의 보이지 않을 정도로 작고 구부러진 차원이다. 공간과 시간을 쪼개기 위해 우리가 이런 여분의 공간을 쓸 수 있을까? 호킹은 적어도 희망적이었다.

역사의 보존

그래서 시간여행은 실제로 할 수 있을까? 한국의 현재 이해로는 그것을 배제할 수 없지만, 대답은 아마 ‘노’

아인슈타인의 이론은 매우 작은 규모의 시공간 구조를 묘사할 수 없다. 그리고 자연의 법칙이 종종 우리의 일상적 경험과 완전히 맞지 않기도 하지만, 그것들은 항상 자기일관성이 있기 때문에 공상과학소설의 시간여행처럼 원인과 결과가 무너지는 역설의 여지는 거의 없다.

스티븐 호킹의 이런 낙관론에도 불구하고 그는 언젠가는 아인슈타인의 이론을 대체할 수 있는 미지의 물리학 법칙이 당신과 나 같은 큰 물체가 시간을 앞뒤로 훨씬 넘지 못하도록 공모할지도 모른다고 인정했다. 우리는 이 유산을 그의 “연대기 보호 추측 혹은 시간순서 보호 가설(chronology protection conjecture)”이라 부른다.

미래에 타임머신이 있든 없든, 산에 오르든 빨리 차를 몰 때 우리가 시간의 흐름을 변화시킨다고 생각하고 스스로를 위로한다.

그래서 “시간 여행자인 척하는 날 pretend to beatime traveller day(12월 8일)”에는 당신이 단지 희망의 도상에 있는 것이 아니라 당신은 이미 시간 여행자임을 기억해야 한다.

기사 출처 : The Conversation : Stephen Hawking’s final book sugge stime travel mayoneday bepossible – here’s whattomake ofit

<우주관 오디세이> 저자 로스타임 편집위원장> (번역 신창민 부산대학교 물리학과 3)

출처 : 로스타임(http://www.injurytime.kr) 승인 2018년 11월 30일 12:41 업데이트 2019년 12월 02일 17:07