스크랩 흥미돋 시간이란 무엇인지 빵을 통해 알아보자

[처돌은 처돌이]

출처 https://r.pikicast.com/s?fr=6TOgO&t=1hpNr6&m=lk&v=shr&cid=THU&i8n=kr



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시간이란 무엇인지 빵을 통해 알아보자 (이 글)






안녕하세요.
Curious Park입니다.

지난 주에 예고한대로,
<특수 상대성이론 시리즈 - Q&A 편>을 진행할 예정입니다.

많은 분들이 참신하고도 기묘한 질문들을 해주셨는데요.

공통점을 뽑아보니,

'과거로의 시간 여행 가능성'
'빛보다 빠른 물질은 있을까?'
'인터스텔라 시간 지연 현상'

이 정도로 요약할 수 있었습니다.
그런데 유독 제 눈길을 끄는 질문 하나가 있었습니다!

Citrus00님께서 해주신 바로 이 질문이었습니다.
특히 마지막 부분의 "시간의 기준은 무엇인가?"를
읽으며 잠시 멍해지기도 했는데요.

그래서 Citrus00님께서 해주신 질문의 키워드인
‘시간’을 주제로 포스팅을 해보려 합니다.

지난 4편까지 특수 상대성이론의 ‘시간의 상대성’에 대해
비교적 심도 있게 살펴보았는데요.

오늘은 번외편 형식으로
현대 과학이 시간을 어떤 관점과 논리로 바라보고 있는지
소개해 드릴까 합니다.

그럼 시작해 볼게요.

Let's Go!

우리는 넓은 범위에서 우주라는 공간,
좁은 범위에서 '지구'라는 한 행성에서
다른 생명체들과 시간과 공간을 공유하며 삶을 이어나가고 있습니다.

그러나 지금으로부터 약 100년 전...
세상을 완전히 새로운 관점에서 바라보았던 천재가 있었죠.
바로 '알베르트 아인슈타인'이었습니다.

기존 물리학의 관점은 역사의 뒤안길로 사라져야 했습니다.
그리고 우리가 사는 세상을 바라보는 시선도 재탄생하게 됩니다.

지난 <특수 상대성이론 1~3편 시리즈>를 통해,
우리가 같은 시공간에 있을지라도
관측자의 운동 상태에 따라 '시간'이 달라진다는 이야기를 해드렸는데요.

시간이란 무엇일까요?

언뜻 보면 시간이란 참 쉬운 개념으로 보입니다.
우리의 삶은 늘 시간의 통제를 받고 있어
시간에 대해 매우 익숙하기 때문이죠.

시간과 관련하여 정말 신기한 점이 하나 있어요.

지금까지 물리학자들이 만든 모든 '물리학 법칙'들을
다 동원해도 '시간'의 정체를 밝힐 수 없다는 점입니다.

(시간은... 금이지.....)

그 유명한 아인슈타인의 상대성이론도
시간의 '정체'를 밝힌 것이 아닙니다.

시간이란 놈의 정체는 일반인에게는 쉬워 보일지 몰라도,
물리학 관점에서 볼 때는 정말 난해한 개념이라는 것입니다.

왜 그럴까요?

먼저 평범한 우리가 '시간'을 어떻게 이해하고 있는지 살펴봅시다.

▣ 시간에 대한 우리의 '상식'

저는 아침에 회사로 출근해 동료들과 커피를 마셨습니다.
그리고 일을 하다가 점심을 먹었죠.

사무실로 돌아온 저는 지금 이 글을 쓰고 있습니다.
그리고 특별한 일이 없다면 몇 시간 후에 퇴근을 하게 될 겁니다.

여기서 아침에 커피를 마신 것은 '과거'이고,
타자를 치고 있는 것은 '현재'가 되며,
이따 퇴근을 하는 것은 '미래'가 되겠죠.

우리는 이 3가지가 시간을 구성하고 있다고 여깁니다.


일단 '과거'는 이미 일어난 사건들의 집합입니다.
그리고 '미래'는 아직 일어나지 않은 사건들의 집합이라 볼 수 있겠죠.

그런데 우린 이미 지나간 과거는 바꿀 수 없다고 믿으며,
미래는 얼마든지 계획에 따라 변할 수 있다고 생각합니다.

즉, 우리는 과거와 미래의 차이를 아주 잘 알고 있으며,
이 둘을 극명하게 구분해놓고 있죠.

또한 과거와 미래 사이에는 '현재'가 끼어있습니다.


여기까지가 시간에 대해 기본적으로 알고 있는 우리의 '상식'입니다.

자! 이제 다른 관점에서 시간을 생각해 볼까요?

우리는 시간이 계속 이어진다는 표현을 하고 싶을 때
흔히 '시간이 흘러간다!!'고 표현합니다.

흘러간다는 것은 마치 시냇물이 흐르는 것처럼 연속적이며 일방적이죠.

또한 시간이 '흘러간다'는 느낌은
우리의 경험과 사고, 언어 속에서 깊이 뿌리 내려있습니다.

인간이 만든 모든 언어에는 하나의 공통점이 있어요.

모든 언어 속에는 '3시제(~했었다, ~한다, ~할 것이다)'
즉, 과거/현재/미래를 반드시 구분하고 있다는 것입니다.

언어는 인간의 사고가 그대로 반영되고 투영된 결과물이죠.

그래서 우리는 당연한듯이 시간이
과거와 현재, 그리고 미래로 구성되어 있다고 받아들입니다.

우리가 아는 상식으로 이 3가지 개념은
의미가 전혀 다를 뿐더러,
시간은 과거에서 미래로 '일방적으로' 흐릅니다.

우리는 늘 여지없이 과거에서 미래로 '이동 당하고' 있으며,
앞으로 우리가 살아있는 시간 동안에도 그럴 겁니다.
(흔히 이런 현상을 늙어간다고 표현하기도 하죠.)

지금까지 우리가 시간에 대해 알고 있는
여러 '상식과 지식'을 살펴보았는데요.

과연 우리는 시간에 대해 이미 잘 알고 있다고 말할 수 있을까요?


여기 시간에 대해 깊이 생각하면 할수록 떠오르는
몇 가지 의문점들이 있습니다.

여러분들은 이 질문에 대한 답을 내릴 수 있나요?

Q) 공간은 여러 개(차원)로 구성되어 있다.
그런데, 시간은 공간과 달리 왜 오직 '한 방향(미래)'으로만 흐르는 걸까?

Q) 시간은 인간이 편의상 만든 추상적인 개념인가?
아니면, 우리 세상에 명확히 존재하는 물리적인 개념인가?

Q) 시간이 흐른다면 대체 무엇이 흘러가는 것이며,
또한 흐르는 속도는 무엇인가?
그리고 시간이 흐르게 만드는 어떤 '존재'가 따로 있지는 않을까?

비록 이 의문들은 지금 제가 생각한 것이지만,
제가 최초로 생각한 것은 아닐 겁니다.

적어도 지금까지 수천 명의 과학자들이
이 질문에 대한 해답을 찾기 위해 엄청난 노력을 들이고 있겠죠.


또한 느끼셨겠지만, 이 의문점들은
과학적이라기 보단 오히려 '철학적'으로 보입니다.

과학에 대한 의문점들이 철학으로 보이는 이유는 간단합니다.

우주에 대해 끝없이 연구를 진행하다 보면
최종적으로 마주치는 '벽'이 있기 때문이죠.

그 벽은 바로 '우주의 근원'입니다.

우주의 근원이라고 하는 것들의 대부분은

“우주는 어떻게/누가 만들었을까?”
“우리는 무엇인가?”

등의 다소 철학적으로 보이는 질문들로 귀결되는 경우가 많습니다.

분명한 것은,
앞서 언급한 의문점들에 대해 해답을 얻을 수만 있다면
우리는 우주를 근원적으로 이해하는 데 있어
역사적인 한걸음을 내딛게 될 거라는 것이죠.

그래서 현대 물리학은 '시간의 정체'를 밝히기 위해,
엄청난 노력과 공을 들이고 있습니다.

그렇다면, 현대 물리학은 '시간'에 대해 어떻게 생각하고 있을까요?

▣ 현대 물리학이 바라보는 시간
: 시간은 정말로 흐르는 걸까?

우리는 시간을 과거/현재/미래로 구분하고 있다고 했는데요.

그렇다면 '현재'라는 것은 뭘까요?

현재는 우리가 의식하고 있는 이 순간,
다시 말해 '지금'이라고도 얘기할 수 있습니다.

이 '지금'이라는 시간을 면밀히 들여다보면
굉장히 독특하다는 것을 느끼게 됩니다.


전 지금 글을 써 내려가면서 시간의 흐름을 몸소 느끼고 있습니다.
이 포스팅을 보는 여러분도 시간의 흐름을 느끼고 계실테죠.

우리는 내가 현재 의식하고 느끼고 있는 이 세상.
즉, 이 ‘순간’을 지금이라고 말하곤 합니다.

그런데 참 흥미로운 사실이 있습니다.

이 ‘지금’이라는 순간은 멈추지 않고
과거로 늘 이동 당하고,
그 빈자리를 바로 ‘미래’가 메우고 있다는 점입니다.

(방금 지금이 지나갔.. 헛 또 지나갔고 또!!)

그래서 우리는 지금을 느낄 만한 순간의 여유조차 없습니다.
왜냐하면 지금도 시간은 완벽한 ‘리듬’을 유지한 채로,
여러분의 매 순간을 거쳐 과거로 흘러가고 있기 때문입니다.


여러분들이 '글자(1)'를 보는 순간에도 시간은 흐르기 때문에,
'글자(2)'를 읽을 때 쯤이면 '글자(1)'을 읽는 순간은 과거로 변하죠.

너무도 뻔한 이야기에 답답하실 수도 있겠는데요.

그래서 '지금'이라는 시간에 대해서 조금 더 깊게 생각해 보겠습니다.


특수 상대성이론에 따르면,
동시에 일어난 사건이라고 하더라도
'시간 차이’가 존재할 수도 있다는 것을 다뤘는데요. (2편 참고)

아인슈타인은 '지금'이라는 시간을 어떻게 바라봤을까요?

쉬운 설명을 위해 '빵'을 준비했습니다.

빵의 왼쪽은 '과거', 오른쪽은 '미래'를 나타냅니다.
그리고 시간은 (좌 -> 우)로 흐른다고 가정해 볼게요.

그럼 이 빵은 우주의 전체 시공간을 의미하게 됩니다.
그렇다면 이 그림을 보는 우리는
어떤 우주의 시공간을 바깥에서 바라보고 있는 셈이므로
시공을 초월한 존재겠죠.

(나는 시공빵을 초월한 존재... 푸하하하)

그리고 빵 위의 어떤 위치에서 칼을 대고 잘라 보았습니다.
이 때 칼을 댄 부분은 과거와 미래 사이의 어떤 특정 시점을 나타내겠죠.

빵을 잘라 낸 조각의 단면은 어느 한 사람이 바라보는 '지금'에 해당됩니다.

그 사람을 이 글을 보는 '여러분'으로 가정해 볼게요.

여러분은 우주의 시공간 전체를 마음대로 들여다 볼 수 있습니다.

그 우주를 우리가 사는 세상으로 생각한다면,
여러분은 지구에 공룡이 살던 시절부터 시작해서
2002년에 한국 대표팀이 4강에 진출한 장면까지
자유자재로 볼 수 있을 것입니다.

이렇게 시공을 초월한 신의 영역에서 우주를 바라보면,
시간에 대한 특성을 직관적으로 분석할 수 있게 됩니다.

아까 언급한대로 시간이 흐른다는 것은
시점이 이 그림에서 (왼 -> 오)으로 옮겨가는 것을 말하며,
빵을 자른 단면은 그 시점에 있는 관찰자의 '지금'으로 간주합니다.

그러면 이렇게 생각해 볼 수 있습니다.
빵을 자른 수많은 단면들을 본드로 연속해서 이어 붙이면
곧 '빵 전체'가 되겠죠.

즉, '지금'을 모두 합친 것이 우주 전체의 시공간입니다.


언뜻 보면 수학의 '적분'의 개념이랑 유사한데요.
'지금'이라는 시점 자체를 이해하기 위해서는
'어떤 한 순간에 존재하는 실체'를 정확하게 정의할 필요가 있습니다.

쉽게 말해 여러분에게
"이 순간 눈에 보이는 것은 무엇인가요?"
라고 묻는 것과 같습니다.

전 이 글을 쓰는 이 순간 카페에 앉아 있고,
제 앞에는 웃고 떠드는 커플이 보입니다.
그리고 분주하게 움직이고 있는 어떤 꼬마도 보이네요.

제가 보는 것들은 '지금'이라는 하나의 사진 속에 담겨 있습니다.
이것은 저의 경우지만 여러분들도 고유의 '지금'이 있을 텐데요.

만약 여러분도 저와 같은 카페에 앉아 있다고 가정해 볼게요.
그러면 제가 느끼는 '지금'과 여러분이 느끼는 '지금'은 일치해야 정상입니다.

같은 공간 안에 동일한 사건이 일어나고 있으니까요.
그런데 특수 상대성이론은 정말 기괴한 얘기를 하고 있습니다.

같은 카페에 있는 여러분과 저를 상상해 볼게요.
우린 각자 의자에 가만히 앉아 있으므로 서로 '정지'한 상태입니다.

이 경우 상대성이론에서도 여러분과 저의 '지금'은 동일합니다.
즉, 빵을 자른 단면이 똑같다는 것이죠.


그런데 전 가만히 앉아있는데
여러분이 자리에서 일어나서 커피를 가지러 갑니다.

이 경우 전 정지해 있는데 여러분이 움직였으니
우린 서로에 대해 '상대 운동'을 한다고 볼 수 있습니다.

특수 상대성이론은 '상대 운동'을 하는 관측자들은
같은 공간에서 똑같은 상황에 있을지라도
서로 다른 '지금'을 느끼고 있다고 주장합니다.

다시 말해 여러분과 저는 같은 시점에서 빵을 잘랐는데도
상대운동을 하고 있으므로 그 단면이 달라진다는 것이죠.

왜 이런 현상이 일어나는 걸까요?

이는 이렇게 비유해 볼 수 있습니다.

신이 어떤 시점에서 빵을 잘랐고,
그 빵 조각의 단면에는 여러분과 제가 있습니다.
그런데 여러분께서 벌떡 일어나서 움직였죠.

그럼 여러분은 저와 미세하게 다른 '각도'로 빵을 자른 겁니다.
(칼을 댄 시점은 같습니다)

따라서 여러분의 빵 단면과 제 것은 아주 조금 달라지겠죠.

결론적으로 여러분이 의식하는 '지금'과
제가 의식하는 '지금'은 조금 뒤틀려 버린 것입니다.

이를 상대성이론에서는 '동시성의 불일치'라는
어려운 용어를 쓰며 표현하고 있죠.

그럼 최종적으로 정리해볼게요.

여러분과 제가 서로에 대해 '정지'한 상태라면
우리의 '지금'은 정확하게 일치합니다.
(빵을 자른 단면이 똑같다)

그러나 상대운동이 벌어지는 그 순간.
빵을 자르는 각도가 뒤틀리고,
그에 따라 우리가 느끼는 '지금'은 달라지게 되는 것이죠.

이해가 되셨나요?


< 좀 더 알아보기 >

눈치 채셨겠지만 제가 든 예시는 적절한 예는 아니었습니다.
여러분과 저의 상대 속도 차이가 너무도 미세하기 때문입니다.
따라서 각도 변화에 의한 효과는 눈에 띄지 않을 정도로 나타납니다.

그러나 만약 여러분과 제가 같은 카페에 있지 않고,
전 지구에 있고 여러분은 안드로메다 은하에 계시면
그 차이는 엄청나게 커집니다.

아까같은 상황이 '지구와 안드로메다'에 있는 우리에게 발생한다고 가정합니다.

이 경우 여러분이 저와 멀어지는 쪽으로 두세 걸음 이동한다면
여러분이 느끼는 지금과 제가 느끼는 지금의 차이는 무려 약 100년으로 벌어지죠.

즉, 여러분이 인식하는 저의 지금은
제가 인식하고 있는 지금보다 100년 전이 됩니다.

다시 말해 여러분은 제 100년 과거를 보고 있는 셈이죠.

이러한 상황들로 인해,
우리는 한 가지 중요한 시간에 대한 사실을 알게 되었습니다.

여러분과 저의 '지금'이 달라지는 기괴한 현상은,
우리가 서로에 대해 멀어지고 이동속도가 빨라질수록
그 효과가 커진다는 사실을 말이죠.

이것이 바로 특수 상대성이론에서 '시간'을 바라보는 관점입니다.
또한, 이 포스팅이 말하고자 하는 주제와도 같죠.

그럼 이제 최종 결론을 내릴 때가 된 것 같습니다.
마지막이니만큼 여러분께서 할 수 있는 모든 상상력을
동원하여 '시간'을 이해해 주시길 바랄게요.

특수 상대성이론이 진실이라면,
관측자 저마다의 '지금'이 존재합니다(빵의 각도).
그런데, 우리는 '지금'을 상상할 때,
그저 우리 눈에 보이는 실체들만 떠올리게 되는데요.

하지만 카페에 있는 제가 느끼는 '지금'과
다른 공간에 있는 사람이 느끼는 '지금'은 모두 동등합니다.
어느 하나가 맞다고 볼 수가 없죠.

다시 말해 이 말의 의미는 이 시공간(우주)이,
여러분과 저와 같은 생명체들의 '지금'이 모두 합해진 시간이라는 것입니다.

이해가 안 가신다면 이 빵을 다시 봐주세요!!
빵을 무수히 많은 각도로 잘라도,
수많은 잘린 단면들이 모여 빵 전체를 이루는 건 변하지 않습니다.
단지 각도에 따라 단면들이 달라 보일 뿐이죠.

그리고 빵을 자르는 위치는 어느 곳이어도 상관 없습니다.
즉, 생명체가 느끼는 지금은 각도만 달라질 뿐,
결국 모두 빵의 일부이며 동등하게 볼 수 있습니다.

따라서 이 우주(빵 전체)에 있는 모든 시공간들은
여러분의 '지금'으로 볼 수 있습니다.

그래서 최종적으로 현대 물리학은
시간에 대해 이러한 가설을 내렸습니다.

이 세상에서 일어나는 모든 사건들은 '과거에 일어났고
현재에도 일어나고 있으며 미래에 일어날 예정'이 아니라,
과거, 현재, 미래가 모두 '한꺼번에' 존재하고 있음을 말입니다.

즉, 이 3가지 시제는 따로 존재하는 개념이 아니라
'시공간' 그 자체라는 것이죠.

이런 논리를 따른다면,
시간은 굳이 '흐를 필요가' 전혀 없어집니다.
시공간을 구성하는 것이 과거/현재/미래가 아니라
'한 순간(지금)'의 집합이기 때문이죠.

그리고 하나의 순간은 절대로 변하지 않습니다.
변화라는 것은 '시간의 흐름'으로 이루어지는 것이기 때문입니다.

아인슈타인은 우리가 일상적으로 생각하고 있던
'과거/현재/미래'의 아이디어를 이렇게 새롭게 해석했고,
그 결과가 바로 '특수 상대성이론'이었습니다.

우린 그가 떠올린 아이디어를 모두 이해할 순 없을 겁니다.
가장 큰 이유는 우리의 언어조차도 '3시제'로 나뉘어 있고,
추상적인 개념을 글로 표현하는 것은 굉장히 어렵기 때문이죠.




< 6편 예고 >

지금까지,
우리가 상식적으로 느끼는 '시간'에 대한 개념과
현대 물리학이 바라보는 '시간'을 차례로 소개해 드렸는데요.

Citrus00님이 질문해 주신
'시간의 기준은 무엇일까?'

에 대한 도움을 드리기 위해 꽤 많은 서적을 찾아야 했습니다.

하지만 더 깊게 들어가면 들어갈수록,
시간은 물리학자들마저 결론을 내리지 못한
난해한 개념이었다는 사실을 알게 되었죠.

어쩌면 인류가 '시간'의 정체를 알기 위해서는,
정말 '시간'이 필요한 것일지도 모르겠네요.

다음 편에서도 특수 상대성이론의 흥미진진한 이야기를 소개해드리겠습니다.

감사합니다.

참고 문헌 :

Einstein's Cosmos - Michio kaku
The Large Scale Structure of SpaceTime
The Future of Spacetime - Steven Hawking
The Fabric of the Cosmos - Brian green
Black Holes and Time Warps - Kip thorne



(결국 시간이 뭔지는 모르겠다....ㅎㅎ 사실 시간이라는 개념 자체가 인간의 상상 아닐까~~~)

[처돌은 처돌이]

https://m.cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/3788591?svc=cafeapp 참고

https://m.cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/3797413?svc=cafeapp 2탄

[zxcv101]

너무 흥미롭게 잘읽었어요. 현대물리학은 진짜 철학같고 그래서 신비롭고 더 좋은거 같아~

[스타벅벅]

굉장히 재밌다.. 결국 시간 속 과거와 미래라는 단어는 인간들이 만들어낸 언어일수도..

[하늘연두]

흥미롭다. 철학적인 이야기처럼 느껴지는걸 보면 결국 진리는 하나로 통하는건가 싶기도하고.. 글 써줘서 고마워!!!

[이미 모든것이 다 이루어졌다]

와 너무 재밌다 고마워 여시!!!!!!