시간이란 무엇이고, 시간은 항상 앞으로 움직이는가?

시간이 거꾸로 흐른다고 상상해 보세요. 사람들은 늙는 대신 젊어지고, 오랜 세월 점진적으로 젊어지며, 아는 모든 것을 잊고 살아가다 보면 부모님 눈에 반짝이는 존재로 남게 될 것입니다. SF 작가 필립 K 딕의 소설에서 묘사된 시간도 바로 그런 시간입니다. 놀랍게도 시간의 방향은 우주론자들도 고민하는 문제이기도 합니다.

우리는 시간이 일정한 방향을 가지고 있다고 당연하게 여기지만, 물리학자들은 그렇지 않습니다. 대부분의 자연 법칙은 "시간을 되돌릴 수 있다"는 뜻입니다. 즉, 시간이 거꾸로 흐른다고 정의하더라도 자연 법칙은 마찬가지로 유효할 것입니다. 그렇다면 시간은 왜 항상 앞으로 나아가는 것일까요? 그리고 항상 그렇게 될까요?

시간에는 시작이 있을까?

모든 보편적 시간 개념은 궁극적으로 우주 자체의 진화에 기반해야 합니다. 우주를 올려다보면 과거에 일어났던 사건들이 보입니다. 빛이 우리에게 도달하려면 빛의 시간이 필요합니다. 사실, 가장 단순한 관찰조차도 우주론적 시간을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 밤하늘이 어둡다는 사실이 그렇습니다. 만약 우주에 무한한 과거가 있고 그 크기 또한 무한하다면, 밤하늘은 완전히 밝을 것입니다. 항상 존재해 온 우주에 있는 무한한 수의 별빛으로 가득 차 있을 것입니다.

오랫동안 알베르트 아인슈타인을 포함한 과학자들은 우주가 정적이고 무한하다고 생각했습니다. 하지만 이후 관측 결과 우주는 실제로 팽창하고 있으며, 가속되는 속도로 팽창하고 있음이 밝혀졌습니다. 이는 우주가 빅뱅이라고 불리는 더 압축된 상태에서 시작되었음을 의미하며, 이는 시간에도 시작이 있음을 시사합니다. 실제로 충분히 오래된 빛을 찾으면 빅뱅의 잔재 복사, 즉 우주 마이크로파 배경 복사도 볼 수 있습니다. 이를 깨달은 것은 우주의 나이를 결정하는 첫걸음이었습니다(아래 참조).

하지만 아인슈타인의 특수 상대성 이론에는 걸림돌이 있습니다. 시간은… 상대적이라는 것입니다. 당신이 저에 비해 더 빨리 움직일수록, 제가 인지하는 시간에 비해 당신의 시간은 더 느리게 흐릅니다. 따라서 팽창하는 은하, 회전하는 별, 그리고 소용돌이치는 행성으로 이루어진 우리 우주에서 시간에 대한 경험은 다양합니다. 모든 것의 과거, 현재, 미래는 상대적입니다.

그러면 우리 모두가 동의할 수 있는 보편적인 시간이 있을까요?

우주의 타임라인. 디자인: Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

우주는 평균적으로 어디에서나 동일하고, 모든 방향에서 평균적으로 동일하게 보이기 때문에 "우주 시간"이 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 이를 측정하려면 우주 마이크로파 배경 복사의 특성을 측정하기만 하면 됩니다. 우주론자들은 이를 이용하여 우주의 나이, 즉 우주의 나이를 계산해 왔습니다. 우주의 나이는 137억 9,900만 년입니다.

시간의 화살

그래서 우리는 시간이 빅뱅 때 시작되었을 가능성이 높다는 것을 알고 있습니다. 하지만 여전히 풀리지 않는 의문이 하나 있습니다. 바로 시간이란 정확히 무엇 일까요 ?

이 질문을 풀려면 공간과 시간의 기본적인 속성을 살펴봐야 합니다. 공간 차원에서는 앞뒤로 이동할 수 있으며, 통근자들은 매일 이를 경험합니다. 하지만 시간은 다릅니다. 방향이 있기 때문에 항상 앞으로만 가고, 뒤로는 가지 않습니다. 그렇다면 왜 시간의 차원은 비가역적일까요? 이는 물리학의 주요 미해결 문제 중 하나입니다.

시간 자체가 왜 비가역적인지 설명하려면 자연에서 마찬가지로 비가역적인 과정을 찾아야 합니다. 물리학(그리고 삶!)에서 그러한 개념 중 하나는 시간이 지남에 따라 사물이 덜 "정돈된" 경향이 있다는 것입니다. 우리는 엔트로피라는 물리적 속성을 사용하여 이를 설명하는데, 이는 사물의 질서를 나타내는 지표입니다.

모든 입자가 처음에는 한쪽 구석에 배치되어 있는(질서 있는 상태) 기체 상자를 상상해 보세요. 시간이 지남에 따라 입자들은 자연스럽게 상자 전체를 채우려 할 것입니다(무질서한 상태). 그리고 입자들을 다시 질서 있는 상태로 되돌리려면 에너지가 필요합니다. 이는 되돌릴 수 없는 현상입니다. 마치 계란을 깨서 오믈렛을 만드는 것과 같습니다. 계란이 퍼져 프라이팬을 가득 채우면 다시는 계란 모양으로 돌아갈 수 없습니다. 우주도 마찬가지입니다. 우주가 진화함에 따라 전체 엔트로피는 증가합니다.

안타깝게도 저절로 해결되지는 않을 겁니다. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

엔트로피는 시간의 화살을 설명하는 아주 좋은 방법인 것으로 밝혀졌습니다. 우주가 초기 단계의 비교적 균일하게 퍼져 있는 뜨거운 가스의 거친 바다에서 별, 행성, 인간, 그리고 시간에 관한 기사로 변모하는 것처럼, 오히려 질서가 약해지는 것이 아니라 오히려 더 질서정연해지는 것처럼 보일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 무질서가 증가하고 있을 가능성은 있습니다. 이는 큰 질량과 관련된 중력이 물질을 겉보기에 질서 있는 상태로 끌어당기고 있기 때문이며, 우리가 발생했을 것으로 생각하는 무질서의 증가는 중력장 속에 어떻게든 숨겨져 있기 때문입니다. 따라서 우리가 보지 못하더라도 무질서가 증가하고 있을 수 있습니다.

하지만 무질서를 선호하는 자연의 경향을 고려하면, 우주는 애초에 왜 그렇게 질서 있는 상태로 시작되었을까요? 이는 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 일부 연구자들은 빅뱅이 우주의 시작이 아니었을 수도 있으며, 실제로 시간이 서로 다른 방향으로 흐르는 "평행 우주"가 존재할 수도 있다고 주장합니다.

시간은 끝날까?

시간은 시작을 가지고 있지만, 시간이 끝날지는 시간을 가속 팽창시키는 암흑 에너지의 특성에 달려 있습니다. 이 팽창 속도가 결국 우주를 갈라놓아 빅립(Big Rip)으로 종말을 맞을 수도 있고, 반대로 암흑 에너지가 붕괴하여 빅뱅을 역전시키고 빅크런치(Big Crunch)로 우주를 끝낼 수도 있습니다. 아니면 우주가 그저 영원히 팽창할 수도 있습니다.

하지만 이러한 미래 시나리오 중 어떤 것이 시간을 끝낼까요? 양자역학의 기묘한 법칙에 따르면, 작은 무작위 입자들이 진공에서 순간적으로 튀어나올 수 있습니다. 이는 입자물리학 실험에서 끊임없이 관찰되는 현상입니다. 어떤 이들은 암흑 에너지가 이러한 "양자 요동"을 일으켜 새로운 빅뱅을 일으켜 우리의 시간선을 종식시키고 새로운 시간선을 시작할 수 있다고 주장했습니다. 이는 극히 추측적이고 가능성이 낮지만, 우리가 아는 것은 암흑 에너지를 이해해야만 우주의 운명을 알 수 있다는 것입니다.

그렇다면 가장 가능성 있는 결과는 무엇일까요? 오직 시간만이 알려줄 것입니다.