시간의 역사 I (스티븐 호킹)

[록키]

얼마 전, 스티븐 호킹 박사의 역서, <시간의 역사>를 읽었다. 전세계 인구 중에서 750명당 1권꼴로 팔렸다는 베스트셀러였지만 필자는 늦게나마 그 대열에 합류했다. 

 그 중에서, 필자가 새삼 깨닫게 된 몇 가지에 대해서, 이해 한대로 소개한다.

1.우리의 우주상 1929년 에드윈 허블은 우주가 팽창하고 있다는 사실을 발견했다. 그의 발견은 우리가 과거를 향해서 시간을 거슬러간다면, 우주가 무한히 작고 밀도가 높았던 빅뱅(big bang) 이라는 시기가 있었음을 시사하고 있다.

뉴턴의 (중력,질량) 이론은 멀리 떨어진 거리에서 서로 작용하는 물체 사이의 힘을 중력으로 기술하고 있다. 오늘날에도, 뉴턴의 이론은 태양계 내에서는 훌륭하게 작동한다. 그렇지만, 강한 중력장 안에서는 무용지물이 되고 만다. 뉴턴역학의 보정을 위해, 오늘날, 과학자들은 우주를 두 가지의 기본적인 부분이론- 일반상대성이론과 양자역학- 으로 기술하고 있다.

2. 시간과 공간 뉴턴의 법칙은 지구, 달 그리고 행성들의 궤도를 놀랄만큼 정확하게 예측한다: 

 a.어떤 물체가 힘을 받으면 그 물체는 가속되며, 그 가속도는 그 물체의 질량에 반비례한다. 그리고 물체에 힘이 작용하지 않으면 직선으로 등속도 운동을 할 것이다.

b. 모든 물체는 다른 물체를 그 물체의 질량에 비례하는 힘으로 끌어당긴다. 그리고, 그 힘은 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.

뉴턴은 절대시간을 믿었다.즉, 두 사건 사이의 시간 간격은 누가 측정하든 동일하다고 생각했다. 그에게, 시간과 공간은 완전히 분리되고 관련이 없는 별개의 것이었다. 그러나 절대시간과 절대공간의 개념은 물체가 빛의 속도에 가깝게 빠르게 움직일 때는 전혀 소용이 없게 된다.

1865년 영국의 물리학자 맥스웰은 그의 유명한 방정식을 통해 빛은 전자파의 일종으로 그 속도가 일정한 상수임을 밝혔다.(약 30만 km/s) 맥스웰의 이론에 의하면 전파나 광파의 경우 그 속도의 기준이 되는 매체가 있어야 하는데 과학자들은 그 물체를 에테르(ether)라고 생각했다.

즉 빛의 속도란 에테르에 대한 상대속도로 측정된다고 생각했다. 1887년 마이컬슨과 몰리는 지구의 운동방향(에테르의 운동 방향)으로 날아가는 빛의 속도와 지구의 운동 방향에 대해서 직각인 빛의 속도를 비교했다. 놀랍게도 빛의 속도는 항상 동일(에테르의 운동 방향에 관계없이)하다는 것을 발견했다.

이를 설명하기 위해. 아인 슈타인은 상대성 이론을 발표했다. 그는 두 가지를 가정했는데, 하나는 모든 자유롭게 이동하고 있는 관찰자(좌표계)들에게 과학법칙은 동일하다는 것이다. 

둘 째, 모든 관찰자들은 그들의 (상대) 속도에 관계 없이 동일한 빛의 속도를 측정하게 된다는 것이었다. 위, 두가지의 가정하에 방정식을 세우고 그 해를 얻었는데 그 결과로 얻은 것이 유명한 에너지- 질량의 등가 방정식이다.(E=mc제곱) 

 즉, 물체의 속도가 커지면 에너지가 증가하고 질량도 증가하며 점점 더 큰 속도를 내기가 어려워진다. 따라서, 일반 물체는 빛의 속도를 낼 수 없는 것이다. 그 때, 물체의 길이는 감소한다.

상대성이론은 절대시간이라는 개념을 종식시켰다. 모든 관찰자가 자신들이 가진 시계를 통해서 각자의 시간 측정치를 갖게 되는 것이다. 이동한 거리에 관계없이 빛의 속도가 항상 일정하다는 것은  오직, 빛의 이동 중에 공간이 왜곡된다는 것 외에는 설명이 어렵다.(필자 주)

1915년, 아인슈타인은 이른바, 특수상대성이론의 한계인 무한속도의 중력효과를 설명할 수 있는 일반상대성 이론을 발표했다. 즉, 물체가 움직이거나 힘이 작용하면, 그것이 시간과 공간의 곡률에 영향을 주게 되고 그 시공구조는 다시 그 속에서 움직이는 물체와 작용하는 힘에 영향을 준다는 것이었다. 

 다시 말해서 시공은 그 속에 들어있는 에너지와 질량의 분포에 따라 구부러지거나 휘어져 있다는 이론이다. 일반상대성 이론은 빛도 중력장에 의해서 휘어질 것을 예견했는데 이는 실험적으로 증명되었다. 예를 들면, 태양의 질량은 태양 근처의 시공을 일그러트린다. 그 결과, 태양 근처를 지나는 빛을 굴절시키게 되며 지구에서 보면 그 빛이 마치 다른 방향에서부터 온 것처럼 보이게 한다. 

 태양의 질량이 시공을 휘기 때문에 ,지구는 4차원 시공속에서 직선으로 진행하지만 우리의 3차원 공간에서는 원궤도를 따라서 움직이는 것처럼 보인다. 그리고, 뉴턴이 예측한 행성들의 궤도와 거의 정확하게 일치한다.

그러나, 일반상대성 이론에 의하면, 태양에 가까운 행성일수록 궤도에 미세한 오차 수정이 필요하다. 또 한 가지는 시간이 지구처럼 질량이 큰 물체의 근처에서는 느리게 간다는 것이다. 반대로 지구에서 멀어질수록 시간은 빨리 간다. 우리가 매일, 사용하고 있는 GPS (위성항법 장치)는 위성의 속도와 중력 효과를 보정한 시간 값을 사용하여 위치를 측정한다.

3.팽창하는우주 에드윈 허블은 우리가 속하는 은하가 우주에서 유일한 은하가 아니라는 사실을 발견했다. 우리외에도 수많은 은하들이 존재하며, 그들 사이에는 엄청난 면적의 빈 공간이 펼쳐져 있었다.

우리의 은하는 수천억 개의 은하들 중 하나에 불과하며 이 은하들은 또 제각기 수천억 개의 별들을 가지고 있다. 그는, 모든 은하들은 우리로부터 멀어지고 있으며, 은하가 더 멀리 떨어져 있을수록 우리로부터 더 빠른 속도로 멀어지고 있다는 것을 발견했다. 즉, 우주는 팽창하고 있으며 은하들 사이의 거리는 항상 늘어나고 있는 것이다. 

우주는 약 10억 년마다 5%에서 10%사이의 크기로 팽창한다. 미국인 펜지아스와 윌슨은 세계 최초로, 극초단파를 이용하여 우주의 거의 모든 방향에서 측정되는 동일한 잡음 (멀리, 초기우주의 백열로부터 날아오는 것으로 추정되는) 

즉, 우주배경복사를 관측했.다. 이는 빅뱅 직 후, 우주가 극도의 고온 고밀의 상태로 백열하고 있었음을 의미 했다. 과학자들은 은하들 내의 별들의 궤도에 나타나는 인력의 영향을 근거로 하여 모든 은하들에는 암흑물질(dark matter)이 있다고 믿고 있다. 그뿐만 아니라, 대부분의 은하들은 은하단(cluster)을 이루고 있으며, 클러스터 내의 은하들 사이에도 더 많은 암흑물질이 있다고 추측하고 있다.

한편, 우주의 관측 가능한 은하들을 구성하는 모든 별들의 질량과 모든 은하단 내의 암흑물질을 다 합쳐도, 우주의 전체 질량은 우주의 팽창을 정지시키는 데 필요한 질량의 10%밖에는 얻지 못한다. 이는, 현재까지의 증거로는 우주가 아마도 영원히 팽창할 것임을 시사하고 있다..

그렇지만, 우주의 평균밀도를 증가시킬 수 있는 다른 형태의 물질이 존재할 가능성을 배제할 수는 없다. 우주의 빅뱅 시점에, 우주의 밀도와 시공 곡률은 무한대였을 것이다. 그 순간에는 일반상대성이론이 붕괴되는 수학적 특이점 (singularity) 이 된다. 

빅뱅의 순간(플랑크 시간 10의 마이너스 43승 초 전, 필자 주)에는 모든 과학적 법칙이 붕괴하고 미래 예측이 불가능하며 시간의 시작점이 되었다. 오늘날, 거의 모든 사람들은 우주는 빅뱅 특이점에서 시작되었다고 믿는다. 이 특이점은, 별들이 수축해서 블랙홀(black hole)을 형성하는 시공 영역 속에 들어 있는 특이점과 유사하다.

일반상대성이론은 우주가 어떻게 시작되었는지를 설명해 주지 못한다. 초기우주에 대한 설명을 위해서는 엄청나게 작은 대상에 대한 이론인 양자역학의 도움이 필요하다. 일반상대성이론은 중력과 대우주라는 엄청난 규모의 구조를 다룬다. 

그에 비해. 양자역학은 10의 12승분의 1인치 정도의 극미한 크기에서(우주 초기)벌어지는 현상을 다룬다. 그리고, 두 이론은 서로 모순된다. 

(우주에 대한 완전한 기술, 통일 이론의 걸림돌이 된다) 

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<시간의 역사 I>,스티븐 호킹 지음

               하이네(m choi)