사물의 풍경

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션 캐럴: 오늘의 에세이-시간과 공간이 변화할 수 있다면 어떤 다른 것이 가능한가?

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2015. 12. 13.

 

시간과 공간이 변화할 수 있다면 어떤 다른 것이 가능한가?

What else is possible if space and time can change?

 

―― 션 캐럴(Sean Carroll)

 

니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)는 태양이 지구 주위를 공전하는 것이 아니라 지구가 태양 주위를 공전한다고 주장한 것으로 유명하다. 그것은 대단한 것인데, 왜냐하면 그 주장은 우주의 중심이라는 상정된 위치로부터 지구를 추방하기 때문이다. 그런데 우리는 마찬가지로 경이로운 것, 즉 도대체 지구가 실제로 움직일 수 있다는 관념을 망각하기 쉽다. 무언가가 단단한 토대인 듯 보인다면, 그것은 지구 자체이다. 그러나 코페르니쿠스 이후의 세계에서 우리는 더 잘 알고 있다.

 

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 일반 상대성 이론으로 이런 개념적 혁명을 한 걸음 더 진전시켰다. 지구는 우주의 나머지 부분이 공전하는 고정된 받침점이 아닐 뿐 아니라, 시간과 공간 자체도 고정되어 있지 않고 불변적이지 않다. 아인슈타인의 우주에서 시간과 공간은 단일한 4차원 "시공간"으로 흡수되며, 시공간은 단단하지 않다. 시공간은 물질과 에너지의 운동에 반응하여 뒤틀리고 말리며 구부러진다. 우리는 시공간의 얼개의 그런 연장과 왜곡을 중력으로 지각한다.

 

시간과 공간 자체가 불변의 것이 아니라, 우주의 역사에 걸쳐서 진화할 수 있는 역동적인 양이라는 관념은 아인슈타인의 가장 인상적인 유산들 가운데 하나이다. 그것은 대단히 심오하여 아인슈타인 스스로도 그 관념의 모든 함의들을 수용하는 데 어려움을 겪었다. 일반 상대성에서 아인슈타인이 우주 전체를 탐구하였을 때, 그는 우주가 고정된 크기를 유지하는 것이 아니라 팽창하거나 수축해야 한다는 것을 알아 내었다. 그 결과는 그의 직관에 반하였을 뿐 아니라, 당대의 천문학자들이 우주의 작동에 관해 실제로 생각한 것에도 반했다. 1920년대에 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 우주 팽창을 발견했을 때, 아인슈타인은 자신이 과학의 역사에서 위대한 예측들 가운데 하나를 제시할 수 있었던 기회를 놓쳐 버렸다는 것을 깨닫게 되었다.

 

시간과 공간이 고정되어 있기보다는 유연하다면, 우리가 정말로 일정하다고 말할 수 있는 어떤 다른 것이 남게 되는가? 한 가지 명백한 후보가 있는데, 그것 역시 아인슈타인 자신에게서 비롯된 것으로서 바로 빛의 속력이다. 상대성에 따르면, 빛의 속력은 우주의 불변적 양로서 물질과 정보가 행할 수 있는 것을 엄격히 제약하는 깨뜨릴 수 없는 제한 속력이다.

 

지금까지 과학자들은 "가변적인 빛의 속력"에 관해 생각했는데, 왜냐하면 이론 물리학자들은 무엇보다도 기이한 새로운 관념들에 관해 생각하는 것을 좋아하기 때문이다. 그런데 빛의 속력이 시간 또는 공간에 걸쳐 변화하게 둔다는 것은, 자세히 검토하면, 매우 잘 규정되지 않는 것으로 판명된다. 시간과 공간이 단일한 4차원 시공간으로 통일된다는 것을 수용하면, "공간에서의 거리"와 "시간에서의 간격" 사이를 번역할 방법이 있어야 한다. 그것은 불가피한 일이고, 우리의 세계에서 그 역할은 빛의 속력에 의해 채워진다. 빛이 실제로 그런 속력으로 이동할 수 있다는 사실은 중요한 점이 아닌데, 중요한 것은 거리를 시간으로 그리고 시간을 거리로 변환할 수 있는 어떤 방법이 있다는 것이다.

 

그런데 자연의 이른바 "상수들"이 안성맞춤의 대상이다. 아인슈타인의 교훈이 시간과 공간 같은 실재의 토대적 양태들로 추정되는 것들이 사실상 역동적이고 진화하는 것이라는 점이라면, 물리학의 법칙들을 규정하는 수치적 매개 변수들도 마찬가지로 유연한지 여부를 궁금하게 여기는 것은 자연스러운 일이다. 중력의 세기를 설정하는 뉴턴 상수, 또는 전자 질량 같은 양들이 실제로 시간에 따라 변하는가?

 

그 대답은 그럴지도 모른다는 것이다. 현재 최선의 측정 결과에 따르면, 우리의 세계에서 물리적 매개 변수들의 수치값들은 꽤 고정되어 있는 듯 보인다. 그러나 그것들이 변화할 수 있을 것이라는 가능성은 매우 실제적이다. 어떤 의미에서는 그것이 2012년에 대형 강입자 충돌기에서 발견된 힉스 보손의 비밀이다. 잘 알려져 있게도, 힉스 보손은 전자 같은 기본 입자들과 다양한 쿼크들에 "질량을 부여한다". 그렇게 되는 까닭은 공간을 채우고 있으면서 그런 모든 입자들과 상호작용하는 힉스 장이 존재하기 때문이다. 그런데 그런 배경 힉스 장이 언제나 존재했던 것은 아니다. 빅뱅 이후 가장 이른 시기에는 힉스 장이 영에 머무르고 있었고, 그래서 쿼크와 전자들의 질량이 영이었다고 믿어진다. 이런 양들은 현재 우리에게 일정한 듯 보일 것이지만, 거의 모든 물리학자는 그것들이 우주가 최초로 개시된 이래로 변화했다고 생각한다.

 

겉보기에 일정한 것들이 진화하고 변화할 수 있는 능력이 아인슈타인의 유산의 중요한 한 양태이다. 시간과 공간이 변화할 수 있다면, 신성한 것은 거의 남지 않게 된다. 현대 우주론자들은 이런 관념의 극단적 판본, 즉 물리학의 법칙들 자체가 장소에 따라 그리고 시간에 따라 변화할 수 있는 다중우주에 관해 사색하는 것을 좋아한다. 그런 변화들이 실제로 존재한다면 그것들은 자의적이지 않을 것인데, 일반 상대성의 시공간처럼 그것들은 매우 특정한 방정식들을 따를 것이다.

 

물론 현재는 다중우주가 존재한다는 직접적인 증거는 전혀 없다. 그러나 시공간에 대한 아인슈타인의 재구성, 또는 그 점에 관해서는, 코페르니쿠스의 새로운 태양계 이론의 정신에서 그 가능성은 매우 크다. 우리 우주는 부동의 토대 위에 건설되지 않았는데, 그것은 시간에 따라 변화하고, 그래서 그런 변화들이 일어나는 방식을 알아내는 것은 현대 물리학과 우주론의 흥미로운 난제이다.