생전의 스티븐 호키 송. 출처:더 콤보 완화(Lwpkommunikáció/Flickr, CC BY-SA, CC BY-SA) 지난 달 영국에서 발간된 이론 물리학자 스티븐 호킹 박사의 유고집’ 어려운 질문에 대한 간단한 응답(Brief Answer to the Big Question)’이 과학계의 관심을 끈다. 그야말로 과학계의 큰 질문에 대한 견해를 담고 있기 때문이다.

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

특히 호킹은 시간 여행 가능성을 언급했다. 호킹은 유고집으로 “현재의 이해 정도를 근거를 보면 시간 여행 가능성을 배제할 수 없다”,”몇세기 안에 인간이 태양계의 어디든지 여행할 수 있을 것”이라고 전망했다. 그러나 과거로의 시간 여행까지 가능한 것은 아니다. 시간 순서 보호 가설(The Chronology Protection Conjecture)는 그가 평생 유지한 지론이다.

최근 세계적인 대안 언론인’더 컨버세이션(The Coversation)’는 스티븐 호킹의 유작 발간에경에 영국 노팅엄대 입자 우주론 그룹(물리학·천문학 대학)의 피터 밀 린튼 연구원의 ‘아인슈타인과 호킹, 그리고 시간 여행’에 관한 과학 수필(원제:Stephen Hawking’s final book suggests time travel may one day be possible– here’s what to make of it)를 실었다.

다음은 기사의 전문을 번역한 내용이다.

“만약 어떤 사람이 시간 여행 연구를 위한 보조금을 신청했더니 그 제안은 즉각 묵살된 것이다.”

물리학자 스티븐 호킹의 유작’ 어려운 질문에 대한 간단한 답변'(Brief Answer to the Big Question)에 나온 문구다. 그는 옳았다. 그러나 시간여행 가능 여부를 묻는 것은 과학적으로 아직 매우 심각한 문제라는 그의 주장도 옳다. 우리의 현재 이해수준으로는 시간여행을 배제할 수 없다고 주장하는 스티븐 호킹 박사는 매우 조심스럽게 낙관적인 듯하다. 그러면 우리는 지금 어떤 상태에 있는가? 오늘 당장은 타임머신을 만들 수 없는데 미래는 가능할까?

우리의 일상적인 경험부터 시작해보자. 우리는 세상 어디에 있든 친구나 가족에게 전화를 해서 그들이 ‘지금’ 무엇을 하고 있는지 이해하는 것은 당연하다고 생각한다. 하지만 여기에는 우리가 실제로 절대 알 수 없는 무언가가 있다. 그들의 목소리와 이미지의 신호를 감지할 수 없을 정도로 빠르게 전달하지만 그들의 발신음이 도착할 때까지는 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 누군가가 버밍엄에서 런던까지 얼마나 떨어져 있는지 물으면 우리는 기꺼이 2시간 30분이라고 대답한다. 우리가 의미하는 것은 그 여행의 평균속도가 시간당 80km였다는 것이다. 수학적으로 우리의 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 무언가를 통해 상호 변환할 수 있다고 썼다.

아인슈타인의 지적인 도약은 시간으로 시공간 거리의 교환 비율이 보편적이라고 가정하는 것으로 그것이 빛의 속도라는 것이다.

빛의 속도는 모든 신호 중 가장 빠른 신호이며, 다른 우주에서 발생하고 있다는 것을 얼마나 빨리 알 수 있는지에 대한 근본적인 한계를 설정한다. 이는 우리에게 인과관계를 주며, 이 법칙은 항상 원인이 있으면 결과가 도출된다.

그것은 시간을 여행하는 사람들에게는 이론적이지만 심각한 문제이며, 시간을 거스르며 자신의 출생을 방해하는 행위를 하는 것은 ‘나라는 결과를 자신의 출생이라는 원인’ 이전에 두어야 한다.

만약 빛의 속도가 보편적이면 아무리 빨리 움직인다 하더라도 이를 진공상태에서 초당 299,792,458m로 측정해야 한다. 아인슈타인은 빛의 속도가 절대적이라면 그 결과 공간과 시간 자체는 절대적이지 않다는 것을 깨달았다. 그리고 움직이는 시계가 안 움직이는 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 어리다고 단정할 것이다. 내가 달리 말하면, 나는 다른 사람들이 나보다 나이가 더 많다고 이해할 것이다.

빨리 움직일수록 시간은 더 천천히 흐른다. 상대성이란 단어가 핵심이지만 시간은 빠르게 움직이는 당신에겐 평소처럼 보이지만 가만히 있는 다른 사람들에게는 시간이 천천히 흘러가는 것처럼 보인다. 빛의 속도만큼 빠르게 움직인다면 시간은 동결된 것처럼 보일 것이고, 누구나 빠르게 앞으로 나아가는 것처럼 보일 것이다.

그렇다면 우리가 빛보다 빨리 여행을 한다면, 공상과학소설이 우리에게 가르쳐 준 것처럼 시간을 과거로 되돌릴 수 있을까.

불행히도 사람을 빛의 속도 이상은 말할 것도 없고, 빛의 속도만 가속시키는 데도 무한한 에너지가 필요하다. 비록 가능하다고 해도 시간은 단순히 뒤로 움직이는 것이 아니다. 대신 앞과 뒤에 대해 이야기하는 것은 이제 아무런 의미가 없을 것이다. 인과관계의 법칙은 위반되며 원인과 결과의 개념은 의미를 잃게 된다.

웜 홀

아인슈타인은 중력은 (물체의) 질량이 공간과 시간을 왜곡하는 과정의 결과라고도 했다. 공간의 영역에 많은 질량을 집어넣을수록 많은 시공간이 왜곡되고 시간은 천천히 흐를 것이다. 우리가 충분히 많은 질량을 밀어넣으면 시공간은 너무 휘어져 빛조차도 그 중력을 탈출할 수 없는 블랙홀이 형성된다. 그리고 만약 우리가 블랙홀의 가장자리인 사건의 지평선에 접근한다면 시간은 블랙홀에서 멀리 떨어져 있는 사람들에 비해 상대적으로 무한히 느리게 흘러갈 것이다.

그렇다면 우리가 시공간을 돌게 해서 과거로 시간여행을 할 수 있을까?

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

양자역학에 따르면 비어 있는 공간은 비어 있지 않다. 대신 그것은 존재가 나타났다 사라지는 입자들로 가득 차 있다. 만일 우리가 다른 곳보다 작은 입자 두 개가 생겨 사라진 공간을 만들 수 있다면, 그 공간은 소리의 에너지 밀도를 갖게 될 것이다.

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

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

역사의 보존

그래서 시간여행은 실제로 할 수 있을까? 우리의 현재 이해로는 그것을 배제할 수 없지만, 답은 아마 ‘노(no)’일 것이다.

아인슈타인의 이론으로는 아주 작은 규모의 시공간 구조를 묘사할 수 없다. 그리고 자연의 법칙은 종종 우리의 일상 경험과 완전히 맞지 않을 수도 있지만 그것들은 항상 자기 일관성이 있기 때문에 공상과학 소설의 시간여행처럼 원인과 결과를 망칠 역설의 여지는 거의 없다.

스티븐 호킹 박사의 이런 낙관론에도 불구하고 그는 언젠가 아인슈타인의 이론을 대체할 수 있는 미지의 물리학 법칙이 당신과 나 같은 큰 물체가 시간을 전후해 훌쩍 뛰어넘을 것을 공모할지도 모른다는 것을 인정했다. 우리는 이 유산을 그의 연대기 보호 추측 혹은 시간순서 보호 가설(chronology protection conjecture)이라고 부른다.

미래에 타임머신이 있든 없든, 산을 오르거나 빨리 차를 몰 때 우리가 시간의 흐름을 바꾼다고 생각하며 스스로를 위로한다.

그래서 시간여행자인 척하는 날 pretend to be a time traveller day(12월 8일)에는 당신이 단지 희망의 도상에 있는 것이 아니라 당신은 이미 시간여행자임을 기억해야 한다.

기사 출처 : The Conversati on : Stephen Hawking ‘ s final book suggests time travel may one day be possible – here ‘ s what to make of it

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

출처 : 로스타임(http://www.injurytime.kr) 승인 2018.11.30 12:41 업데이트 2019.12.02 17:07