시간여행을 위한 최소한의 물리학

콜린 스튜어트 지음 | 김노경 옮김

미래의창 2023년 12월 13일 출간 종이책 : 2023년 12월 13일 출간

작품소개

책소개

우리는 “시간이 없다” 혹은 “시간이 느리게 간다”와 같은 말을 입에 달고 산다. 그러나 정작 시간이 무엇인지 정확히 이야기할 수 있는 사람이 얼마나 될까? 시간은 인간의 제한된 경험으로는 다 이해할 수 없는 우주의 신비다. 우리는 어제와 오늘과 내일을 구분하며 살아간다. 그러나 아인슈타인은 과거, 현재, 미래의 구분이 끈질긴 환상에 불과하다고 말했다. 우리는 시간과 공간을 별개의 개념으로 보지만, 시공간은 동전의 양면과도 같다. 게다가 현대 물리학에 의하면, 시간이란 어쩌면 인간이 이 세계를 이해하기 위해 만들어낸, 존재하지 않는 개념일지도 모른다. 이처럼 물리학으로 본 시간은 우리 생각의 틀을 깨트리며, 인식의 경계를 무한히 넓혀준다.
지금껏 물리학으로 시간을 설명하려는 시도는 많이 있었지만, 대부분이 일반 대중이 이해하기에는 어려운 내용이었다. 이런 독자들을 위해 저명한 과학 커뮤니케이터인 저자는 복잡한 수식과 전문 용어는 빼고, 꼭 필요한 최소한의 지식만 이 책에 담았다. 유쾌한 상상을 흥미롭게 펼쳐낸 10가지 이야기 속에 열역학, 상대성이론, 양자물리학 등 물리학의 기둥이 되는 이론들이 자연스럽게 녹아 있어, 이야기에 푹 빠져 읽기만 해도 과학 지식이 차곡차곡 쌓인다. SF 영화를 보며 시간여행을 꿈꿔본 적이 있다면, 우리를 둘러싼 세상의 신비에 감탄하고 싶다면, 이 책을 읽어보자. 경험에 의해 만들어진 좁은 세계에서 벗어나, 무한한 시공간으로 나아가는 새로운 문이 열릴 것이다.

목차

프롤로그 물리학자의 시선으로 본 시간 6

1장 지구는 형편없는 시계다: 시간의 탄생 15
2장 암석에 남은 시간의 흔적: 지구와 우주의 나이 29
3장 망원경은 타임머신이다: 빛의 속도 41
4장 시간은 화살처럼 날아간다: 엔트로피 법칙 53
5장 시간과 공간은 분리된 개념이 아니다: 상대성이론과 시공간의 개념 67
6장 시간여행자는 우리 가까이에 있다: 시간 지연 81
7장 발이 머리보다 젊다?: 중력 시간 지연과 사건의 지평선 93
8장 언젠가 시간이 멈출지도 모른다: 블랙홀과 특이점 107
9장 과거로 시간여행 후 히틀러를 죽인다면 어떻게 될까?: 웜홀과 타임머신 119
10장 어쩌면 시간은 존재하지 않는 것일지도 모른다: 블록 우주와 시간의 존재 133

에필로그 시간여행 실험 146
감사의 말 149

책 속으로

빛은 우주를 가로질러 도착한 엽서와 같다. 엽서를 받은 사람은 쓴 사람이 현재 무엇을 하고 있는지는 알 수 없지만, 엽서를 쓴 그날에는 무엇을 하고 있었는지 알 수 있다. 또한 엽서에 담긴 메시지가 수신자에게 전달되기까지 시간이 걸리는 것처럼 빛은 항상 과거의 사건을 보여준다. 우리는 지금 이 순간의 달을 볼 수 없고, 달에서 빛이 떠난 시점인 1.3초 전의 달의 모습을 볼 수 있다. 이는 사람들과 일상적인 상호 작용에서도 마찬가지다. 누군가로부터 1m 떨어진 곳에 서 있으면, 그 사람의 지금 모습은 볼 수 없다. 대신 빛이 떠난 30억 분의 1초 전의 그 사람 얼굴을 볼 수 있다. 빛이 이동하는 데 시간이 걸린다는 것은 ‘지금’이라는 개념을 일관적으로 정의할 수 없다는 뜻이다. 우리는 항상 과거만 볼 수 있을 뿐 ‘현재’는 절대 볼 수 없다. /44~45쪽

우리가 세상에서 경험한 바에 따르면, 시간과 공간은 전혀 다른 개념처럼 보인다. 무엇보다도 공간에 있어서 우리는 상당히 자유롭다. 예를 들어 한 방향으로 이동하다가 멈추고 왔던 길로 돌아가는 등 방향을 바꿀 수도 있고, 이동 속도를 변경할 수도 있다. 가만히 앉아 있거나 걷고 달리기도 하고, 자동차나 비행기나 로켓으로 여행하기도 한다. 반면, 시간은 그와는 달라 보인다. 우리는 과거에서 미래로, 변하지 않는 한 방향으로만 이동하고 있다. 에딩턴이 말한 시간의 화살을 따라, 오직 한 방향으로, 언제나 같은 속도로 움직이고 있지 않은가? 그러니 자연스럽게 시간과 공간을 단절된 것으로 간주하게 되었다. 하지만 민코프스키는 시간과 공간이 연속적인 직물로 밀접하게 짜인 것처럼 우주 전체에 퍼져 있으며, 우주의 모든 사건이 일어나는 무대라고 생각했다. 그는 두 단어를 조합해 이를 ‘시공간’이라고 불렀다. /71쪽

우리가 시공간이 구부러지고, 형성되고, 왜곡될 수 있음에 그 어느 때보다 확신을 갖게 된 것은 최근 발견된 이러한 눈부신 증거 덕분이다. 아인슈타인의 이론은 온갖 시험을 거침없이 통과했다. 공간과 시간은 서로 밀접하게 연결되어 있어 한쪽에 영향을 미치면 다른 쪽에도 영향을 준다. 공간이 구부러질 수 있다면 시간도 구부러질 수 있다. 공간뿐만 아니라 시간도 여행할 수 있을 것이라는 흥미로운 가능성의 문이 열리게 된다. /78~79쪽

더 빠른 속력으로 여행한다면 어떻게 될까? 당신이 뮤온보다 빠른 광속의 99.9999%로 10년 동안 거대한 타원을 그리며 은하계를 여행하여 한 바퀴를 돌아 지구로 돌아온다고 가정해보자. 지구로 돌아온 당신에겐 10년이 지났겠지만, 지구를 떠나 있는 동안 지구에서는 7,000년의 시간이 지나 있다. 여행을 시작할 때는 21세기였지만, 돌아온 지구는 91세기가 되어 있다. 당신은 자신의 일생을 훨씬 초월한 삶을 경험하게 된다. 사람들이 일반적으로 궁금해하는 시간여행은 이런 유형이고, 물리학에 이를 금하는 법칙은 없다. 단지 파달카보다 더 빠르게, 더 오래 여행하는 방법을 알아내기만 하면 된다. /91쪽

이게 실제로도 가능할까? 우리은하의 중심에는 ‘궁수자리 A*(A-star라고 읽음)’라는 초거대 질량 블랙홀이 있다. 〈인터스텔라〉의 가르강튀아보다 약 25배 덜 무겁지만, 지구보다는 거의 3조 배 더 무겁다. 아주 깊은 중력 우물이 있다고 해도 과언이 아니다. 블랙홀의 가장자리에서 10km 떨어진 곳에서 6년 반을 보낸다면 지구에서는 7,000년이 흐르게 될 것이다. 지난 장에서 10년 동안 빛의 99.9999%의 속력으로 우주를 빙빙 돌면 미래로 여행할 수 있다고 했던 것과 같다. 문제는 블랙홀의 중력에서 벗어나 집으로 돌아가려면 빛의 속도에 매우 가깝게 여행해야 한다는 것이다. /102쪽

길게 뻗은 길을 따라 운전할 때를 생각해보자. 당신이 차를 몰고 접근한다고 해서 갑자기 그 순간에 도로가 나타나는 것은 아니다. 또한 당신이 차를 몰고 지나가자마자 지나온 길이 사라지는 것도 아니다. 시간이 공간과 달라야 할 이유가 있을까? 아인슈타인도 시간과 공간은 동전의 양면이라고 말했다. 이렇게 추론하다 보면 과거, 현재, 미래가 모두 존재해야 한다는 놀라운 결론에 도달한다. 오직 ‘현재’만이 실재한다는 우리의 확고한 인식은 잘못된 것이다. 우주에는 이미 일어난 모든 것과 앞으로 일어날 모든 것이 포함되어 있다. 우리는 어딘가에서 태어나고 어딘가에서 죽어가고 있다. /137쪽

만약 휠러-드위트 방정식이 정확하다면(‘만약’을 강조할 필요가 있다) 공간과 시간은 우리가 큰 규모에서만 경험할 수 있고, 더 깊은 수준에서는 실제로 전혀 존재하지 않는 창발적 효과가 될 수 있다. 외부에서 우주를 볼 수 있는 신과 같은 관찰자는 정적이고 불변하며 시간을 초월한 우주를 보게 될 것이다. 외부의 관찰자가 보기에 시간이란 우주 안에 갇힌 우리들의 이해를 위한 단순한 환상이라고 할 것이다. 시간이란 그저 우리 머릿속에만 존재했던 것으로 밝혀질 수도 있다. 아이러니하게도 이 모든 건 시간이 지나야 알 수 있을 것이다. /144~145쪽

출판사 서평

우리는 ‘시간’을 제대로 모른다!
생각의 틀을 깨는 흥미로운 물리 이야기

“시간의 본질에 대한 유익하고도 유쾌한 내용.
너무 재미있어서 앉은자리에서 단숨에 읽어버렸다!” - 짐 알칼릴리

시간을 멈출 수 있을까? 시간은 과연 존재하는 걸까? 도대체 시간이란 무엇일까? 너무나 익숙한 개념이라 잘 아는 것 같지만, 막상 시간에 대해 설명하려고 하면 말문이 막힌다. 지금껏 인간은 자신이 경험한 대로, 확고한 고정관념을 가지고 시간을 이해해왔다. 그러나 물리학으로 본 시간은 우리 생각의 틀을 깨뜨리며, 인식의 경계를 무한히 넓혀준다.
우리는 어제와 오늘과 내일이라는 구분 속에서 지금이 몇 시인지, 시간이 얼마나 흘렀는지 늘 확인하며 살아간다. 그러나 아인슈타인은 과거, 현재, 미래라는 구분이 끈질긴 환상에 불과하다고 말했다. 우리는 내 눈앞에 펼쳐진 상황들을 ‘현재’ 모습이라고 인식하지만, 빛이 우리에게 도달하기까지는 시간이 걸리므로 우리가 보는 모든 것들은 과거의 흔적이다. 우리는 항상 과거만 볼 수 있을 뿐, 현재는 볼 수 없다. 그렇다면 ‘지금’을 뭐라고 정의해야 할까?
우리는 시간이 언제나 일정한 속도로 흘러간다고 생각하지만, 그렇지 않다. 비행기만 타도 몇십 나노초 앞선 미래로 시간여행을 하게 된다. 우리는 시간과 공간을 별개의 개념으로 인식하지만, 시공간은 동전의 양면과도 같다. 공간이 구부러질 수 있다면 시간도 구부러질 수 있으며, 공간을 빠르게 여행할 수 있다면 시간도 빠르게 여행할 수 있다. 더 충격적이게도, 어쩌면 시간은 인간이 이 세계를 이해하기 위해 만들어낸 허상일지도 모른다. 시간은 가장 오래된 과학계의 불가사의이며, 우주의 위대한 신비다.

열역학부터 상대성이론, 양자물리학까지,
복잡한 수식 없이 푹 빠져들어 읽는다!
지금껏 물리학으로 시간을 설명하려는 시도는 많이 있었지만, 대부분이 일반 대중이 이해하기에는 상당히 어려운 내용이었다. 저명한 과학 커뮤니케이터인 저자는 이런 독자들을 위해 복잡한 수식과 전문 용어는 모두 빼고, 꼭 필요한 최소한의 지식만 책에 담았다. 저자는 ‘발이 머리보다 젊은 이유’, ‘외계인이 망원경으로 지구를 본다면 지름이 얼마나 커야 할까?’, ‘웜홀을 로켓에 달고 빙빙 돌면 어떻게 될까?’, ‘과거로 돌아가서 히틀러를 죽일 수 있을까?’와 같은 유쾌한 상상을 흥미진진하게 펼쳐낸다. 열역학, 상대성이론, 양자물리학은 물론 끈 이론과 양자 중력 이론까지, 물리학의 기둥과 같은 이론들이 그 속에 녹아들어 있어, 이야기에 푹 빠져 읽다 보면 자연스럽게 물리 지식을 습득할 수 있다.
SF 영화를 보며 시간여행을 꿈꿔본 적이 있다면, 어렵게만 느껴졌던 물리학과 더 가까워지고 싶다면, 우리를 둘러싼 세상의 신비로움에 감탄하고 싶다면, 이 책을 읽어보자. 경험에 의해 만들어진 좁은 세계에서 벗어나, 무한한 시공간으로 나아가는 새로운 문이 열릴 것이다.

작가정보

저자(글) 콜린 스튜어트

(Colin Stuart)
천문학과 물리학을 주제로 글을 쓰고 강연하는 세계적인 과학 커뮤니케이터. 지금까지 50만 명이 넘는 사람들에게 우주에 관한 강연을 했다. 그가 쓴 책은 21개 언어로 번역되어 전 세계에서 35만 권 넘게 팔렸고, 과학 대중화에 힘쓴 작가들에게 주는 상을 여러 번 수상하기도 했다. 《가디언》, 《월스트리트 저널》, 《뉴 사이언티스트》, 유럽우주청 등에 대중을 위해 200건이 넘는 흥미로운 과학 기사를 기고했으며, 〈스카이 뉴스〉, 〈BBC 뉴스〉, 〈라디오5 라이브〉 등에 출연해 우주의 신비에 관해 알렸다. 영국 왕립천문학회의 회원이기도 하다. 2017년에는 국제천문학협회에서 천문학을 대중화하려는 그의 공로를 인정하며 소행성 15347에 그의 이름을 붙여주기도 했다.

번역 김노경

서던캘리포니아대학교 졸업 후 한국외국어대학교 통번역대학원 한영과를 졸업했다. 다년간 금융 감독원 및 질병관리청 등에서 다양한 번역과 통역을 했다. 현재 번역에이전시 엔터스코리아에서 전문 번역가로 활동 중이다.