시간은 되돌릴 수 있을까

다카미즈 유이치 지음 | 김정환 옮김

북라이프 2024년 03월 21일 출간 종이책 : 2024년 03월 26일 출간

작품소개

책소개

“양자중력 이론 전문가의 기발한 상상과 유쾌한 설명이 만난 책!”
_김범준, 성균관대학교 물리학과 교수

“굉장히 좋았다! 읽는 동안 몇 번이나 지적 현기증이 일어났다.”
_아마존 독자 서평에서

자석의 S극과 N극, 생물의 암컷과 수컷, 힘의 작용과 반작용까지. 자연계 대부분은 대칭을 이루는데 왜 시간은 한 방향으로만 흐를까? 시간에 대칭성이 있다면 미래에서 과거로 흐르는 시간도 있어야 하지 않을까? 수백 년 과학사를 뒤흔든 궁극의 질문에 스티븐 호킹의 마지막 제자가 대답한다!
저자는 영국 케임브리지대학교에서 연구 생활을 하며 천재 물리학자 스티븐 호킹의 가르침을 받은 물리학자다. 호킹의 제자답게 ‘시간은 되돌아가면 재밌다!’라는 엉뚱하고 유쾌한 생각으로 시간의 역행 가능성을 대담하게 풀어놓는다. 시간의 방향과 속도는 무엇이 결정할까? 미래의 기억이라는 것이 실제로 존재할까? 고대 아인슈타인부터 이어진 시간의 인과율부터 시간의 역행 가능성을 암시하는 시간의 양자화, 수축과 팽창을 반복하는 순환 우주까지 현재 과학의 최전선에서 일어나고 있는 흥미로운 연구 성과를 저자의 기발한 상상을 더해 소개한다.
시간 이야기는 과학 교과서가 어려운 청소년도, 기본기 없는 문과생도, 처음 교양 과학책을 읽는 사람도 물리학을 친근하게 접할 수 있는 주제다. 이 책은 일반인이 교양 지식으로 알면 좋은 물리학 핵심 개념을 시간 이야기로 엮어 설명한다. 저자가 안내하는 시간의 화살을 따라가다 보면 양자역학, 상대성 이론, 엔트로피, 블랙홀, 순환 우주까지 물리학의 기본이 되는 12가지 개념이 단숨에 이해된다.

목차

프롤로그
제1장 인류, 시간을 자각하다
아인슈타인과 스티븐 호킹의 공통점
모든 것은 달력에서 시작되었다
요일은 어떻게 만들었을까?
시간이란 대체 무엇인가?
시간에는 여러 가지 개념이 있다

제2장 시간의 정체를 밝히다
방향: 시간의 화살은 불가역적이다
차원 수: 시간은 왜 1차원인가?
크기: 일정하지 않다
시간은 기분 나쁘다?
방정식에는 시간이 숨어 있다
방정식은 시간의 방향을 구별하지 못한다
낙하 운동도 반대 방향이 가능할까?
시간이 거꾸로 흐르는 세계는 존재할까?
엔트로피 증가의 법칙이란?

제3장 상대성 이론과 시간
빛을 독재자로 만든 특수 상대성 이론
슈퍼히어로의 시간은 얼마나 느려질까?
중력이 시공을 일그러뜨린다는 일반 상대성 이론
블랙홀에 빨려 들어간다면?
상대성 이론을 이용해 오래 살 수 있을까?
인과율은 미래를 어디까지 결정하는가?
빛의 원뿔과 시간의 화살

제4장 양자역학과 시간의 관계
기본적인 소립자는 쿼크와 전자다
원소는 어떻게 만들까?
우리는 어디에서 왔는가?
소립자의 터널 효과
소립자의 불확정성 원리
미래는 확률로만 예언할 수 있다
인과율을 무너뜨릴 수 있는가?
양자역학의 기괴한 성질① 에너지는 띄엄띄엄 존재한다
양자역학의 기괴한 성질② 관측자가 상태를 결정한다
시간도 소립자로 구성되어 있을까?

제5장 숙적 엔트로피와의 대결
영구 기관을 향한 도전
엔트로피의 탄생
볼츠만의 위대한 공적
맥스웰이 탄생시킨 도깨비
미시세계와 거시세계 사이에
열역학 제2법칙, 도깨비를 쓰러뜨리다
도깨비가 부활했다!
양자세계에서는 시간이 역행한다?

제6장 시간은 정말 1차원일까?
고대 중국에서는 시공간을 알고 있었다
우주의 온갖 것을 알 수 있는 방정식
만약 시간이 2차원이라면?
공간은 왜 3차원일까?
차원 수가 많은 세계는 안정적이지 않다

제7장 양자중력 이론과 시간
자연계에는 힘이 네 가지밖에 없다
자연계의 가장 특이한 힘, 중력
전 세계 물리학자들의 간절한 소원
초끈 이론이란?
루프 양자중력 이론이란?
두 이론 중 어느 쪽이 옳은가
시간이 사라졌다!
시간은 무지에서 탄생한다
‘아킬레우스와 거북’ 문제의 정답은?

제8장 순환 우주의 가능성
끈에서 막으로
빅뱅은 브레인의 충돌일까?
인플레이션 우주의 창세기
신에게 의지할 수밖에 없는 걸까?
순환 우주의 등장
우주가 수축하면 어떤 일이 벌어질까?
지금의 우주가 50번째 우주라고?
순환 우주의 위기와 부활

제9장 시작이 없는 시간을 찾아서
우주는 조용해야 한다
우주항, 너란 놈은!
진공 에너지의 수수께끼
팬텀이 부활시킨 순환 우주
호킹의 허수시간 우주 235
허수시간은 어떻게 특이점을 없애는가? 238
케임브리지대학교에서의 추억 240
신이 말해 주는 답을 듣는 수학자?

제10장 생명의 시간, 인간의 시간
별의 엔트로피는 감소하는가?
생물의 엔트로피는 감소하는가?
별은 생물인가?
생명에 깃든 또 하나의 시간의 화살
인식으로서의 시간
시간의 연속성도 환상일까?
미래의 기억에 사로잡힌 사람들

제11장 누가 우주를 봤는가
두 가지 시나리오
파인만 도형이 암시하는 시간의 역행
타키온은 시간을 역행하는가?
응축 우주의 또 다른 시나리오
블랙홀이 만들어 내는 시간의 역행
우주 최대의 수수께끼 ‘인류 원리’
수수께끼를 푸는 열쇠는 시간의 역행에 있다?

에필로그
찾아보기

책 속으로

우리의 사고 깊은 곳에는 과거에 일어난 일이 원인이 되어 현재에 이르고, 현재가 아직 결정되지 않은 미래를 만드는 시간의 흐름이 존재한다. 인과응보라는 말도 여기에서 나왔다. 만약 반대로 미래에서 현재로, 현재에서 과거로 흐르는 시간의 흐름이 있다면 어떻게 될까. 놀랍게도 과학의 최전선에는 이런 현상이 실제로 일어나고 있다.
--- 〈프롤로그〉

무중력인 우주 공간으로 나가면 그만큼 수명이 늘어난다고 생각하는 사람도 많은 듯한데, 무중력 상태에서는 시간이 빨리 흐르기 때문에 반대로 나이가 들기 쉬워진다고 할 수 있다. 물리적 나이뿐만 아니라 생물학적으로도 우주 공간은 지상보다 육체가 약해지기 쉽다는 사실이 보고되었다. 지구라는 행성의 중력 속에서 진화해 온 생물에게 ‘산다’라는 것은 ‘중력이라는 부하에 저항하는 활동’이라고도 할 수 있다. 그래서 무중력인 우주 공간에서는 아무것도 하지 않으면 근력이 약해지고 생명력도 점점 약해지는 게 아닐까 싶다. 살아가는 데 스트레스나 부하라는 것이 어느 정도는 필요한지도 모른다.
--- 〈제3장 상대성 이론과 시간〉

양자세계로 눈을 돌리면 ‘우리는 어디에서 왔는가?’라는 근원적인 의문에 어느 정도는 답할 수 있다. 우리 몸을 이루고 있는 원소는 별에서 탄생했고, 별이 죽으면서 다종다양해졌다. 흔히 죽는 것을 ‘하늘의 별이 되었다’라고 표현하는데, 이 말을 별이 듣는다면 “반대야, 그 반대라고!” 하며 바로잡고 싶어 할지도 모른다. “우리가 죽어서 너희들이 생긴 거야!”
--- 〈제4장 양자역학과 시간의 관계〉

“양자세계에서는 잃어버렸던 질서를 되돌릴 수 있음이 드러났다. 양자세계에서는 열역학 제2법칙에 위배되는 움직임이 가능하다.” 대부분의 물리 법칙은 미래와 과거를 구별하지 않는다. 그러나 열역학 제2법칙만은 질서에서 무질서라는 한 방향으로만 흐를 수 있으며, 이는 아보가드로 수를 충족하는 원자 집단인 우리의 일상에서는 지금까지의 역사가 증명하듯이 위반이 절대 불가능하다. 시간의 역행은 일어날 수 없다. 그러나 소립자 하나하나의 움직임을 살피는 양자세계에서는 시간이 역행하는 일도 일어날 수 있다.
--- 〈제5장 숙적 엔트로피와의 대결〉

시간이 2차원이라면 어떨까? 우리가 사는 세계에서는 직선 형태를 띠고 있는 시간이 평면 위를 나아가게 된다. 원을 그리며 원래 위치로 돌아갈 수도 있다. 따라서 과거로 쉽게 돌아갈 수 있고 우리의 도전도 간단히 끝나 버린다. 그리고 1차원의 시간을 사는 인류에게는 이루기 어려운 꿈이 하나 실현된다. 그렇다. 바로 타임머신이다.
현대인이 타임 워프를 해서 과거에 가면 과거의 시간에 어떤 변경이 가해지므로 미래는 다른 형태로 다시 쓰이리라 생각하는 사람이 있다. 한편으로는 타임 워프를 해도 그 사람이 일으키는 사건은 앞뒤가 맞도록 과거에 편입되므로 역사는 바뀌지 않으며, 따라서 미래도 바뀌지 않는다고 생각하는 사람도 있다. 나는 물리학적으로는 후자가 맞지 않나 생각한다.
--- 〈제6장 시간은 정말 1차원일까?〉

재미있는 연구가 하나 있다. 수축과 팽창을 반복하는 순환 우주에서는 엔트로피가 1사이클마다 축적되며, 다음 사이클에서는 그만큼 우주 전체의 엔트로피가 증가한다는 연구다. 일본 물리학자 가와이 히카루는 이를 바탕으로 계산한 결과, 현재의 우주는 50번째 정도의 사이클에 해당된다고 제창했다. 그렇다고 하면 여러분이 고민 끝에 지금부터 결단을 내리려 하는 일은 사실 49번째 우주에서 이미 선택한 일인지도 모른다. 앞으로 하게 될 모든 행동, 모든 감동의 순간이나 발견이 사실은 이미 경험한 것들이라면….
--- 〈제8장 순환 우주의 가능성〉

출판사 서평

✢ 아마존 재팬 물리학 분야 베스트셀러 ✢
✢ 성균관대학교 김범준 교수 강력 추천 ✢

천재 물리학자 스티븐 호킹의 마지막 제자,
양자중력 이론물리학자가 들려주는 시간의 물리학
“우주는 어떻게 만들어졌는가?” 스티븐 호킹은 죽는 날까지 이 질문을 파고들었다. 우주처럼 광대한 호기심과 기발한 발상으로 새로운 이론을 만들어냈던 호킹. 저자는 영국 케임브리지대학교에서 연구 생활을 하며 호킹의 가르침을 받은 마지막 제자다. 호킹이 배출한 걸출한 물리학자 가운데 한 사람으로 양자중력 이론 연구 분야에서 주목받고 있다. 언제나 유머를 잃지 않았던 호킹의 제자답게 저자는 시간에 관한 기발하고 유쾌한 생각들을 최신 연구 성과를 바탕으로 대담하게 풀어놓는다. ‘시간의 시작은 어디인가’ ‘우리는 어디에서 왔는가’라는 근원적인 질문부터 ‘미래의 기억이 존재할지 모른다’ ‘시간이 2차원이라면 타임머신이 가능하다’라는 엉뚱한 상상까지 거침없이 쏟아낸다. 더불어 스승인 스티븐 호킹과 함께한 케임브리지대학교 추억을 담담하고 재치 있게 들려준다.

물리적 시간부터 우주의 탄생까지
누구나 알지만 아무도 모르는 시간에 관한 모든 것
자연계에는 치우침 없이 균형을 이루려는 대칭성이 존재한다. 우리가 아름답다고 느끼는 것들 중에는 좌우 대칭이 많다. 그런데 왜 시간은 한 방향만 존재할까? 저자는 시간의 비대칭성에 의문을 품고 시간의 역행 가능성을 방향, 차원 수, 크기의 관점에서 풀어나간다. 왜 시간은 과거에서 미래로 한 방향으로만 흐를까? 공간은 3차원인데 왜 시간은 1차원일까? 시간의 크기는 늘어나고 줄어들 수 있을까? 상식으로 여겼던 시간에 관한 생각들을 양자역학, 상대성 이론, 엔트로피 등 굵직한 물리학 이론들을 바탕으로 과학적으로 명쾌하게 설명한다.
책에서는 ‘시간은 되돌릴 수 있을까?’라는 가능성을 추적하기 위해 양자역학과 이에 대립하는 엔트로피 증가의 법칙을 중점적으로 다룬다. 엔트로피 증가의 법칙 관점에서 자연계 모든 물질은 질서에서 무질서해지는 한 방향의 성질만 가지므로 시간의 역행은 일어날 수 없다. 반면 양자역학 관점에서 시간이 소립자로 구성되어 있다고 가정한다면 소립자의 움직임은 불확정성 상태이므로 시간의 방향과 속도를 결정할 수 없다. 즉 시간의 역행이 가능한 것이다. 두 이론의 격돌은 상당히 골치 아프며 현재도 어느 쪽이 옳은지 알 수 없다. 이처럼 눈에 보이지 않고 실체가 있는지 없는지 알 수 없는 시간에 관해 저자는 책을 덮는 마지막 순간까지 엎치락뒤치락 치열한 공방전을 이어간다.
또한 저자는 최신 연구를 바탕으로 우주 탄생 시나리오를 그려본다. 우주가 시작점 없이 수축과 팽창을 반복하고 있다면 현재의 우주는 몇 번째일까? 현재가 50번째 우주라면 지금 겪는 상황은 49번째 우주에서 이미 경험한 것들이 아닐까? 저자는 순환 우주 관점에서 이전 우주의 흔적과 기억이 우주 어딘가에 보존되어 있을지 모른다는 상상을 발휘한다.

양자역학, 상대성 이론, 엔트로피, 블랙홀, 순환 우주
아리송한 물리학 개념이 단번에 이해되는 책
지금까지 많은 책과 강연에서 물리학으로 시간을 설명했지만 일반인이 이해하기에는 어려웠다. 이 책은 일반인이 교양 지식으로 알면 좋은 물리학 핵심 개념을 ‘시간은 되돌릴 수 있을까?’라는 시간 이야기로 엮어 쉽고 재밌게 설명한다. 기억, 수명, 예측, 사건의 인과응보, 우주의 탄생까지 유쾌하고 흥미롭게 풀어낸 이야기 속에 수백 년간 물리학계의 기둥이 되어온 이론이 자연스레 녹아있다. 저자가 안내하는 시간이 역행하는 세계에 푹 빠져 꼬리에 꼬리를 무는 궁금증을 따라가다 보면 양자역학, 상대성 이론, 엔트로피, 블랙홀, 순환 우주까지 물리학의 기본이 되는 12가지 개념이 단숨에 이해된다. 교양 과학에 처음 관심을 둔 사람에게 입문서로 좋고, 기존 과학책 독자라면 머릿속에 물리학 뼈대를 확실하게 잡기 충분하다.

작가정보

저자(글) 다카미즈 유이치

高水裕一
시간과 우주의 비밀을 탐구하는 물리학자. 2013년부터 영국 케임브리지대학교 응용수학 및 이론물리학과 이론우주론센터에서 스티븐 호킹 박사의 가르침을 받은 그의 마지막 제자다. 호킹 박사가 배출한 걸출한 물리학자 가운데 한 사람으로 양자중력 이론 연구 분야에서 주목받고 있다. 2016년부터 현재까지 일본 쓰쿠바대학교 계산과학연구센터 소속 연구원이자 우주론 전문가로 활동하며 기계학습을 이용한 의학물리학 연구에 전념하고 있다.
와세다대학교 이공학부 물리학과를 졸업하고, 동 대학원에서 이학 박사 학위를 취득했다. 2009년 도쿄대학교 이학계연구과 빅뱅센터 특임연구원을 거쳐, 2012년 교토대학교 기초물리학 연구소 PD특별연구원으로 일했다. 저서로 《물리학자처럼 영화 보기》 등이 있다.

번역 김정환

건국대학교 토목공학과를 졸업하고 일본외국어전문학교 일한통번역과를 수료했다. 현재 번역 에이전시 엔터스코리아에서 출판기획 및 일본어 전문 번역가로 활동하고 있다. 주요 역서로는 《세계사를 바꾼 화학 이야기》, 《무섭지만 재밌어서 밤새 읽는 감염병 이야기》, 《수학은 어떻게 무기가 되는가》 등이 있다.