과거와 미래를 넘나드는 시간의 비밀
"만약 과거로 돌아갈 수 있다면?"
누구나 한 번쯤은 이런 상상을 해본 적이 있다.
시험을 다시 본다면 더 좋은 점수를 받을 수 있을까.
주식 투자 시점을 바꾼다면 큰 부자가 될 수 있을까.
이미 떠나보낸 사람을 다시 만날 수 있다면 어떤 말을 전할까.
이처럼 시간여행은 인간이 가장 오래 품어온 꿈 가운데 하나다.
영화 백 투 더 퓨처, 인터스텔라, 터미네이터, 어벤져스: 엔드게임까지 수많은 작품이 시간여행을 소재로 삼았다.
하지만 이것은 단순한 공상과학일까.
놀랍게도 현대 물리학은 '미래로 가는 시간여행'은 실제로 가능하다고 말한다.
더 놀라운 사실은 지금 이 순간에도 우리 모두는 아주 조금씩 서로 다른 속도로 시간여행을 하고 있다는 것이다.
시간은 절대적인 것이 아니다.
우리가 너무 당연하게 생각했던 '1초'조차 모든 사람에게 똑같이 흐르지 않는다.
이번 이야기에서는 우주가 숨기고 있는 가장 신비로운 존재, 시간의 정체를 함께 탐험해 보자.
시간이란 무엇일까
우리는 시간을 너무 익숙하게 사용한다.
아침 7시에 일어난다.
오전 9시에 출근한다.
점심은 12시.
퇴근은 6시.
하루는 24시간이다.
너무도 당연한 사실처럼 느껴진다.
하지만 과학자들에게 시간은 가장 어려운 질문 가운데 하나였다.
시간은 무엇일까?
눈으로 볼 수도 없다.
손으로 만질 수도 없다.
냄새도 없고 색깔도 없다.
그런데도 우리는 시간이 흐른다는 것을 안다.
왜일까.
모든 것이 변하기 때문이다.
꽃은 핀다.
사람은 늙는다.
별도 결국 죽는다.
변화가 없다면 시간이라는 개념도 존재하지 않을 것이다.
뉴턴은 시간을 절대적인 것이라 믿었다
17세기 아이작 뉴턴은 시간을 거대한 우주의 시계라고 생각했다.
우주 어디에서든 시간은 똑같이 흐른다.
지구에서도.
달에서도.
태양에서도.
100억 광년 떨어진 은하에서도.
모든 사람의 시계는 같은 속도로 움직인다고 믿었다.
이 생각은 수백 년 동안 아무도 의심하지 않았다.
하지만 20세기 초.
한 젊은 특허청 직원이 이 상식을 완전히 뒤집는다.
그 사람이 바로 알베르트 아인슈타인이다.
빛은 누구에게나 같은 속도였다
아인슈타인은 이상한 사실 하나를 발견했다.
빛의 속도는 언제나 일정하다.
초속 약 30만 km.
자동차가 달리든.
기차가 움직이든.
우주선이 날아가든.
빛은 항상 같은 속도를 유지한다.
하지만 여기에는 문제가 생긴다.
만약 빛의 속도가 변하지 않는다면.
시간과 공간이 변해야 한다.
그래야 모든 계산이 맞아떨어진다.
이것이 상대성이론의 시작이었다.
시간은 늘어나기도 한다
상상해 보자.
두 사람이 있다.
한 사람은 지구에 있다.
다른 한 사람은 빛의 속도에 가까운 우주선을 타고 여행한다.
우주선 안에서는 모든 것이 평범하다.
식사도 한다.
잠도 잔다.
책도 읽는다.
시계도 정상적으로 움직인다.
하지만 지구에서 보면 다르다.
우주선 안의 시간이 훨씬 느리게 흐른다.
이 현상을 시간 지연(Time Dilation)이라고 한다.
속도가 빨라질수록 시간이 느려진다.
빛의 속도에 가까워질수록 그 효과는 더욱 커진다.
쌍둥이 역설
이 현상을 설명하는 가장 유명한 사고실험이 있다.
바로 쌍둥이 역설이다.
일란성 쌍둥이가 있다.
형은 지구에 남는다.
동생은 광속에 가까운 우주선을 타고 5년 동안 여행한다.
동생이 돌아왔을 때 어떤 일이 벌어질까.
동생은 겨우 5년 늙었다.
하지만 형은 수십 년을 늙어 있다.
둘은 같은 날 태어났지만.
더 이상 같은 나이가 아니다.
실제로는 역설이 아니다.
상대성이론이 정확히 예측하는 결과다.
이것은 실제로 증명되었다
"정말 이런 일이 현실에서도 일어날까?"
답은 그렇다이다.
1971년.
과학자들은 원자시계를 비행기에 실었다.
하나는 지상에 두고.
다른 하나는 지구를 여러 바퀴 비행했다.
비행이 끝난 뒤 두 시계를 비교했다.
놀랍게도 시간이 달라져 있었다.
차이는 아주 작았다.
수십 나노초 수준이었다.
하지만 아인슈타인의 계산과 거의 완벽하게 일치했다.
오늘날 GPS 위성도 이 효과를 매일 보정한다.
GPS 위성은 지상보다 빠르게 움직이고, 중력도 약하다.
그 결과 위성의 시간은 하루에 약 38마이크로초 정도 더 빨리 흐른다.
이 보정을 하지 않으면 위치 오차는 하루에 약 10km 이상 쌓인다.
우리가 스마트폰 지도를 정확하게 사용할 수 있는 이유도 상대성이론 덕분이다.
중력도 시간을 늦춘다
속도만 시간을 바꾸는 것이 아니다.
중력도 시간을 바꾼다.
중력이 강할수록 시간이 느려진다.
지구보다.
태양에서.
태양보다.
블랙홀에서.
시간은 더욱 천천히 흐른다.
블랙홀 근처에서는 극단적인 일이 벌어진다.
밖에서는 몇백 년이 흐르는 동안.
블랙홀 근처에서는 몇 시간이 지나기도 한다.
영화 인터스텔라에서 한 행성에서 보낸 1시간이 지구의 7년에 해당했던 설정도 이 원리를 바탕으로 만들어졌다.
영화적 연출은 있지만, 핵심 개념은 실제 물리학에서 나온 것이다.
미래로 가는 시간여행
이제 흥미로운 질문이 생긴다.
시간이 느려질 수 있다면.
미래로 갈 수도 있을까.
정답은 가능하다.
빛에 가까운 속도로 우주를 여행하면 된다.
예를 들어.
우주선 안에서 5년을 보냈다.
하지만 지구에서는 100년이 흘렀다.
우주인은 자신에게는 단 5년이 지났지만.
돌아온 순간 미래의 지구를 만나게 된다.
이것이 미래로 가는 시간여행이다.
현재의 물리학에서는 원리상 가능하다.
문제는.
빛의 속도에 가까운 우주선을 만드는 기술이 아직 없다는 점이다.
그렇다면 과거는?
미래는 가능하다.
그렇다면 과거는?
여기부터는 훨씬 복잡해진다.
상대성이론에는 이론적으로 과거로 갈 수 있는 몇 가지 해답이 존재한다.
대표적인 것이 웜홀이다.
웜홀이란 무엇일까
종이 한 장을 생각해 보자.
서울과 부산을 종이 위에 그린다.
직선으로 가면 약 300km다.
하지만 종이를 접으면 두 점이 맞닿는다.
바로 건너갈 수 있다.
우주에서도 비슷한 일이 가능할까.
시공간을 접을 수 있다면.
멀리 떨어진 두 장소를 아주 짧은 거리로 연결할 수 있다.
이를 웜홀이라고 부른다.
웜홀은 아인슈타인의 방정식에서 수학적으로 가능한 해 가운데 하나다.
하지만 아직 실제 존재가 확인된 적은 없다.
또한 웜홀을 안정적으로 유지하려면 음의 에너지를 가진 특수한 물질이 필요할 가능성이 제기되는데, 현재로서는 현실적으로 구현할 방법을 알지 못한다.
시간을 거꾸로 간다면 생기는 문제
만약 과거로 돌아갈 수 있다면.
이런 일이 가능하다.
할아버지가 결혼하기 전에 과거로 돌아가 그 만남을 막는다.
그러면 부모님도 태어나지 않는다.
결국 나도 태어나지 않는다.
그런데 태어나지 않았다면.
누가 과거로 간 것일까.
이것이 유명한 할아버지 역설이다.
시간여행이 단순하지 않은 이유다.
여러 우주가 존재한다면
이 문제를 해결하려는 아이디어도 있다.
바로 다중우주 가설이다.
과거를 바꾸는 순간.
원래의 우주가 아니라 새로운 우주가 만들어진다는 생각이다.
즉.
현재는 그대로 남는다.
과거를 바꾼 새로운 세계가 하나 더 생긴다.
영화 어벤져스: 엔드게임도 이 개념을 차용했다.
하지만 아직은 검증되지 않은 가설이다.
시간을 되돌릴 수 있을까
물리학에는 또 다른 흥미로운 개념이 있다.
대부분의 물리법칙은 시간을 거꾸로 돌려도 성립한다.
하지만 현실에서는 달걀이 깨지면 다시 원래대로 돌아가지 않는다.
커피에 우유를 섞으면 다시 분리되지 않는다.
왜일까.
그 이유는 엔트로피 때문이다.
엔트로피는 무질서의 정도를 의미한다.
우주는 시간이 흐를수록 엔트로피가 증가하는 방향으로 변한다.
이것을 시간의 화살(Arrow of Time)이라고 부른다.
우리가 과거와 미래를 구분하는 이유도 바로 여기에 있다.
시간은 우주의 또 다른 차원이다
우리는 공간을 세 차원으로 생각한다.
앞뒤.
좌우.
위아래.
아인슈타인은 여기에 시간을 더했다.
시간은 공간과 분리된 것이 아니라.
함께 엮여 있는 하나의 구조다.
이를 시공간이라고 한다.
거대한 천 위에 무거운 공을 올려놓으면 천이 휘어진다.
마찬가지로 질량은 시공간을 휘게 만든다.
행성이 태양을 도는 것도.
빛이 블랙홀 근처에서 휘는 것도.
모두 시공간이 휘어 있기 때문이다.
우리는 중력을 느끼는 것이 아니라.
휘어진 시공간을 따라 움직이고 있는 셈이다.
언젠가 시간여행은 현실이 될까
미래로 가는 시간여행은 물리학적으로 가능성이 인정된다.
과거로 가는 시간여행은 아직 수많은 문제가 남아 있다.
웜홀은 발견되지 않았다.
빛보다 빠른 이동도 확인되지 않았다.
인과율을 깨뜨리지 않는 방법도 모른다.
하지만 인류는 늘 불가능해 보이던 일들을 하나씩 현실로 만들어 왔다.
100년 전에는 달에 가는 것도 꿈이었다.
200년 전에는 지구 반대편 사람과 실시간으로 대화하는 일도 상상에 가까웠다.
과학은 언제나 "불가능"의 경계를 조금씩 넓혀 왔다.
어쩌면 먼 미래의 인류는 우리가 상상만 하는 시간여행의 일부를 실제 기술로 구현할지도 모른다.
우리는 모두 시간여행자다
사실 우리는 이미 시간여행을 하고 있다.
1초 전은 다시 돌아오지 않는다.
내일은 아직 오지 않았다.
우리는 매 순간 미래를 향해 이동하고 있다.
우주의 관점에서 시간은 강물처럼 흐르는 것이 아니라, 공간과 함께 얽힌 거대한 구조일지도 모른다.
그 구조를 완전히 이해하는 날이 온다면, 인류는 우주를 바라보는 방식을 다시 한 번 바꾸게 될 것이다.
시간은 시계 속 숫자가 아니다.
우주를 이루는 가장 근본적인 차원이며, 우리가 아직도 완전히 이해하지 못한 마지막 미지의 영역 가운데 하나다.
우리는 시간을 측정하는 법은 배웠지만, 시간이 왜 존재하는지는 아직 알지 못한다.
그리고 그 질문의 답은, 어쩌면 우주의 가장 깊은 비밀과 연결되어 있을지도 모른다.