[장문][야매] 시간의 과학 첨언 + 시간 여행의 과학 예습 준비물

안녕하세요. 이제서야 원본박물관에 있는 시간의 과학 특강을 다 본 한국인입니다.

평소에 운동할 때 원본박물관에 있는 궤도님 강의 영상을 보는데 운동을 잘 안 가서 이제야 완강했습니다.

궤도님 컨디션이 많이 안 좋으셔서 뒤에 본론 영상이 말씀하시고 풀어내시려던 것이 뜻대로 안 된 것 같았습니다. 

다음 강의가 시간 여행에 대해 풀어 내시려는 것 같아서 뒤늦게 나마 여러 유튜브에서 주워들어 관심 있었던 ‘시간’에 대해 보충해 보고자 합니다.

주의. 본 내용은 모두 유튜브를 보고 나름 익힌 내용이라 전문성은 보장되지 않습니다 ㅜㅜ 

좋아하는 분야가 나와 덧붙임 정도로 봐주세요 ㅎㅎ

1. 시간이란?

시간은 공간의 변화다. 단, 그 변화에는 방향성이 있다.

제가 정의하는 시간의 개념입니다. 

시간은 공간의 변화라고 했는데 일단 공간에 대해 알아봐야 합니다. 

2. 공간(차원)과 변화

우리가 사는 공간은 3차원의 세계입니다. 

3차원은 2차원이 연속되어서, 2차원은 1차원이 연속되어서, 1차원은 점이 연속되어 생겼습니다.

[그림1. 0차원~4차원까지 - 출처: 리뷰엉이 유튜브]

우리는 위의 3차원에 시간이라는 W축에 의해 연속되는 4차원 속(시공간)에 살고 있습니다.

그리고 3차원의 존재인 우리 인간은 4차원의 공간을보지 못합니다. 

인간의 눈은 3차원까지밖에 보지 못하기 때문입니다.

예를 들어 만약 세상을 2차원으로밖에 보지 못하는 2차원적인 생명체가 존재한다고 가정하겠습니다.

[그림2. 2차원의 세상 - 출처:  1분과학]

네모, 세모, 동그라미 모두 2차원으로 세상을 보고, 2차원의 집에서 살고 있습니다.

여기에 어느날, 3차원에 살고 있는 사과가 나타납니다. 

이들에게 사과는 그들이 사는 2차원 면에 맞닿는 사과의 맨 밑바닥만 보일 것입니다.(네 개의 점)

[그림3. 3차원 사과의 2차원에서 모습 - 출처: 1분과학]

사과가 아무리 3차원에 존재하는 자신의 모습을 설명해 줘도 2차원만 보이는 이들은 사과의 3차원적 모습을 이해하지 못할 겁니다.

만약 사과가 이들 앞에서 이리저리 움직이며 2차원 단면을 아래위로 통과한다면 순간순간 변화하는 사과의 단면만 보일 겁니다. 

 [그림4. 3차원 사과의 단면 - 출처: 1분과학]

이들은 사과의 모습이 ‘시간이 흐르면서’ 변화했다고 생각하거나 ‘사과는 시간이 흐르면서 저렇게 나이를 먹는구나.’라고 생각할 것입니다.

그렇다면 2차원적 단면만 보이는 이들에게 3차원적 사과의 모습을 최대한 가까이 보여주는 방법은 무엇일까요?

바로 사과의 단면을 쭉 이어서 한 번에 보여주면 될 것입니다.

[그림5. 이어진 단면의 사과 -출처: 1분과학]

다시 3차원 존재인 인간으로 돌아가면 우리는 3차원으로 세상을 봅니다. 3차원만 보이는 우리에게 4차원 세계를 설명해 준다면

어떻게 설명해 줄 수 있을까요?

바로 3차원적 공간을 이어서 한 번에 보여주면 되지 않을까요?

즉, 각 차원의 증가는 시간이라는 1차원을 더해 생긴다는 것을 알 수 있습니다.

[그림6. 시간의 흐름에 따른 차원의 변화 - 출처: 리뷰엉이]

그렇다면 우리가 사는 4차원은 3차원을 쭉 이은 모습이 될 겁니다.

[그림7. 4차원 -출처: 1분과학, 리뷰엉이]

우리는 3차원 공간의 연속인 4차원 시공간에 살고 있는 것입니다.

이때, 3차원 공간의 연속을 다른 말로

‘3차원 공간이 그다음 3차원 공간으로 계속해서 넘어간다.’라고 표현하며 저는 이것을 변화라고 정의하겠습니다.

이 변화에는 방향성이 있습니다. 시간 축에 따라 앞으로만 넘어갑니다.

3. 시간의 방향

여기서 시간은 ‘앞과 뒤’라는 방향이 있습니다.

X축에 좌, 우가 있고 Y축에 위, 아래가 있듯이 말입니다.

뒤의 방향에 놓인 것을 과거, 앞의 방향에 놓인 것을 미래라고 우리는 말합니다.

‘지금’이란 시공간에서 하나의 좌표 또는, 3차원이 시간에 따라  변화하는 4차원의 한 부분이라고 말할 수 있을 것입니다.

(궤도님이 여쭤보신 ‘지금’에 대한 답이 될 수 있을 것 같네요 ㅎㅎ)

아무튼 시간은 왜 앞(미래)으로만 갈까요?

다시 말해 공간은 미래를 향해 변할까요(넘어갈까요?)

4. 열역학과 엔트로피 -제0법칙과 제1법칙

여기서 필요한 것이 바로 엔트로피입니다. 엔트로피는 열역학 제2법칙에서 나옵니다.

먼저 열역학이 무엇인지 알아야 합니다.

열역학은 열을 에너지의 형태로 보고 이와 관련된 물리 현상(열의 운동)을 설명하는 학문입니다.

열역학법칙은 0법칙부터 3법칙까지 있습니다.

제0법칙: 만약 두 개의 계가 다른 세 번째 계와 열적 평형 상태에 있으면 이 두 개의 계는 반드시 서로에 대해 열적 평형상태여야 한다.

제1법칙: 고립된 계의 에너지는 일정하다. 에너지는 다른 것으로 전환될 수 있지만 생성되거나 파괴될 수는 없다.

제2법칙: 만약 어떤 고립 계의 엔트로피가 열적 평형 상태에 있지 않다면 엔트로피는 계속 증가해야 한다.

제3법칙: 온도가 0으로 접근하면, 계의 엔트로피가 일정한 값을 가진다.

0법칙을 간단히 설명하면 이 세상엔 온도(=열=에너지)가 존재한다. 를 설명하는 개념이라고 합니다.

1법칙은 에너지 보존 법칙에 대한 설명입니다. 

에너지는 형태가 변할 수는 있어도 갑자기 새로 만들어지거나 없어질 수 없다는 말입니다.

이 말은 고립계(외부로 에너지가 들어오거나 빠져나가지 않는 공간)의 에너지의 총합은 일정하다라는 말로도 같이 쓸 수 있습니다.

예를 들어 보온이 정말로 완벽한 보온병이 있다고 하겠습니다.

이 보온병은 어떠한 열이나 에너지도 빠져나가거나 들어갈 수 없습니다.

이 안에 30도의 물을 넣으면 100만년이 지나도 30도로 유지될 겁니다.

[그림8. 고립계 - 출처: 리뷰엉이]

고립계는 에너지나 물질이 나가지도, 들어오지도 않기 때문에 언제나 에너지의 총합은 변하지 않고 그대로 유지됩니다.

만약 위의 보온병에 담긴 30도의 물이 가진 에너지가 200이라고 한다면 100만년이 지나도 에너지는 200입니다.

이제 사고를 조금 더 확장을 해서 이 보온병에 1000의 에너지를 가진 우주를 넣는다고 하겠습니다.

이 보온병 안에 담긴 우주는 고립계이기 때문에 초신성 폭발이 일어나고, 태양이 핵융합을 하고, 지구에 운석이 떨어지는 등 별 일이 다 일어나도

보온병 안에 담긴 우주의 에너지는 여전히 1000이 됩니다.

[그림9. 우주는 고립계다. - 출처: 리뷰엉이]

이게 바로 열역학 제1법칙입니다. 이런 관점으로 우주를 고립계라 하겠습니다.

5. 열역학 제2법칙 - 엔트로피의 법칙

궤도님께서 본격적으로 피곤해 하셨던 부분입니다. ㅜㅜ 건강해서 평생 과학커뮤니케이터로 재밌는 이야기 해줘잉

아무튼 열역학 제2법칙은 앞에 기술한 것을 다시 쓰자면

만약 어떤 고립계의 엔트로피가 열적 평형 상태에 있지 않다면 엔트로피는 증가한다. 입니다.

열역학 제2법칙은 ‘에너지의 흐름에는 방향이 있다'라는 말입니다.

예를 들어 커다란 차가운 물을 담은 컵에 뜨거운 물을 담은 컵을 담가두었다고 하겠습니다.

열평형을 이루기 위해 두 컵에 담긴 물의 온도가 서로 교환할 것 같지만 그렇지 않습니다.

뜨거운 물에서 차가운 물로는 열이 이동하지만 차가운 물에서 뜨거운 물로는 열이 이동하지 않습니다.

[그림10. 에너지 전달에는 방향이 있다. - 출처: 리뷰엉이]

마치 1000도의 쇠구슬이 20도로 식을 수는 있어도 가만히 있던 20도의 쇠구슬이 갑자기 1000도로 변하지 않는 것처럼요.

에너지는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는데, 그 반대는 일어나지 않습니다.

이것이 다가 아닙니다. 

열역학 제2법칙에는 ‘고립계에서는 엔트로피의 양이 항상 늘거나 일정하며 결코 줄어들지 않는다.’라는 핵심이 있습니다.

6. 엔트로피란?

엔트로피란 어떤 계의 무질서한 정도를 나타내는 단위입니다.

동전을 바닥에 마구 던지면 앞면과 뒷면이 마구잡이로 섞여 있을 겁니다. 

즉, 엔트로피가 늘어난 상태입니다. 

이 동전들을 전부 다 앞면만 나오게 하면 엔트로피가 줄어든 상태입니다.

이처럼 우주는 두 가지 상태로 나눌 수 있습니다. 바로 정돈된 상태와 무질서한 상태입니다.

열역학 제2법칙에 따르면  우주는 엔트로피가 늘어나는 방향으로 흘러간다(변한다)고 합니다.

왜냐하면 우주는 고립계이지만 열적 평형인 상태가 아니기 때문입니다.

궤도님이 말씀하신 것처럼 우주에 별이 무작위로 고르게 분포된 것이 아닙니다. 

곳곳에 별들이 은하단으로 질서있게 모여 있고 중간 중간 거시 공동(void)가 있는 상태이기 때문이죠.

[그림11. 은하단과 초은하단 사이에도 빈 공간을 찾을 수 있다. - 출처: 구글 이미지)

우주가 엔트로피가 늘어나는 방향으로 변한다는 것을 침투부에서 예를 든 방귀로 설명하겠습니다.

방에서 침착맨님이 방귀를 뀌면 침덩이에서 나온 방귀 분자들끼리 뭉쳐서 정돈된 상태로 유지되는 것이 아니라 방 곳곳으로 퍼지게 될 겁니다.

아무런 외력이 없어도 방귀 분자조차도 자연스럽게 뒤섞이고 무질서해 진다는 겁니다. 

이때 우주 역시 우리가 사는 공간이라는 것을 잊으시면 안됩니다.

우주 또한 4차원 (이상의) 공간입니다.

우주는 시간의 앞 방향으로 3차원 공간이 그 다음 3차원 공간으로 넘어가고 있는 시공간입니다. 

다시 말해 우주 역시 시간에 따라 변하는 공간이라는 것입니다.

이에 우주가 4차원 이상의 공간이라도 시간에 따라 변하는 공간이라는 점은 달라지지 않습니다.

4차원의 공간이 시간에 따라 연속되면 5차원이 되며, 5차원의 공간이 시간에 따라 연속되면 6차원이 되고..

이렇게 끈이론에서 말하는 11차원의 우주여도 

아무튼 열역학 제2법칙에서 말하는 엔트로피가 증가하는 방향으로 변합니다.(흐릅니다.) 

여기까지 정리하자면

1) 우주는 시공간이며, 시간에 따라 변하는 공간이다.

2) 시간에는 방향성이 있고 공간은 앞의 방향으로만 넘어간다.

3) 우리는 시간 축의 앞을 미래라고 한다.

4) 우주는 엔트로피가 늘어나는 방향으로만 변한다. (절대 엔트로피가 줄어드는 방향으로는 변하지 않는다.)

이를 통해 

미래=엔트로피가 늘어나는 방향(무질서한 상태)

과거=엔트로피가 줄어드는 방향(정돈된 상태)

라고 정의할 수 있습니다.

이로 인해 시간은 과거로 흐를 수 없고 인간이 타임머신으로 과거로 역행하는 것 또한 불가능하다는 것을 알 수 있습니다.

그렇다면 우주는 무질서한 상태를 향해 가고 있으니 내 인생의 미래도 무질서하게 뒤죽박죽인 상태로 정해져 있는 것인가?

아무리 내가 현재 노력한다고 해도 내 미래는 뒤죽박죽인 상태로 정해져 있는 것인가?

라는 물음에 다다를 것입니다.

7. 무질서함 = 질서(균일화) 

질서가 없어지고 엔트로피가 증가한다는 것은 역설적이게도 균일화 된다는 것을 뜻합니다.

조금 더 명확하게 표현하자면 엔트로피가 증가한다는 것은 무작위적으로 상태가 균일화 되는 것을 말합니다.

예를 들어 침착맨님이 뀐 방귀는 침덩이에서 나와 방 곳곳으로 고르게 퍼질 겁니다.

방귀가 모여 있다면 그 부분만 피해면 침착맨님의 방귀 분자를 궤도님이 마시지 않을 수 있겠지만

무작위 적으로 균일화 되기 때문에 궤도님은 같은 방에 있다면 결국 어디서든 침덩이에서 나온 방귀를

마실 확률이 큰 상태가 되겠죠.

[그림 12. 엔트로피의 증가는 무작위적으로 균일한 상태 -출처: 리뷰엉이]

통계열역학에서는 엔트로피를 경우의 수로 설명합니다.

엔트로피가 적은 상태는 경우의 수가 적은 상태로 정의하고

엔트로피가 큰 상태는 경우의 수가 많은 상태라 정의합니다.

예를 들면 주사위 100개를 던졌을 때 모든 주사위들이 숫자 6을 가리키고 있을 확률은 정말 적습니다.

따라서 침착맨님이 주사위 100개를 던졌을 때 무작위 적으로 균일하게 나오는 미래가 나타나는 것일 겁니다. 

이처럼 엔트로피가 크다는 건 확률이 크다는 것입니다.

[그림13. 엔트로피의 증가는 경우의 수가 많은 상태 - 출처: 리뷰엉이]

이 때문에 궤도님이 엔트로피가 증가한다는 것을 무조건 무질서화 된다는 것은 아니다라고 하신 것일 겁니다.

8. 우리는 확률을 높여야 한다.

앞의 정리에 문장 하나를 더 추가해 보겠습니다.

1) 우주는 시공간이며, 시간에 따라 변하는 공간이다.

2) 시간에는 방향성이 있고 공간은 앞의 방향으로만 넘어간다.

3) 우리는 시간 축의 앞을 미래라고 한다.

4) 우주는 엔트로피가 늘어나는 방향으로만 변한다. (절대 엔트로피가 줄어드는 방향으로는 변하지 않는다.)

5) 엔트로피가 늘어난다는 것은 경우의 수가 많은 상태(확률이 높은 상태)이다.

이를 통해 

미래=엔트로피가 늘어나는 방향(무질서한 상태) = 확률이 높은 상태

과거=엔트로피가 줄어드는 방향(정돈된 상태) = 확률이 적은 상태

라고 정의할 수 있으며

우리의 미래는 확률이 높은 상태로 넘어가고 있다.(흘러가고 있다.)라고 정의할 수 있습니다.

아니, 앞에서는 과거, 현재, 미래가 다 정해져 있는 것처럼 말하더니 이제와서 이게 무슨 말이야 싶을 겁니다.

영화 ‘테넷’에서는 ‘일어날 일은 일어난다.’라고 말합니다.

맞습니다. 미래에 일어날 일은 일어날 겁니다. 그게 우주의 방향이니까요.

단, 그 미래는 현재의 내가 열심히 노력해 확률을 높여 놨기 때문에 발생하는 미래입니다. 

인생을 살면서 하게 되는 사소한 선택에 따라 바뀌는 상황들까지도 4차원 시공간 단면으로 본다면 미래는 한 가지가 아니고 무수한 경우의 수의 

미래가 다 존재할 것입니다. 

다시 말해 우리는 내가 내린 선택에 따라 최적의 미래가 올 수 있도록 현재의 내가 최선을 다하고 노력하며 살아야 할 것입니다.

궤도님은 이것을 칼세이건의 말을 빌려 ‘사랑’이라고 표현한 것일 겁니다. 

용한 점쟁이에게 점을 보고 왔는데 서울대에 입학한다. 그 점궤가 맞는지 앞으로 공부를 하나도 안 하겠다.

라는 말은 성립하지 않는 것이죠.

물론 아무리 확률을 높이고자 

좋은 대학에 가고자, 좋은 직장에 들어가고자, 결혼하고자 노력해도 어느 날 갑자기 심장마비가 와서 죽는 다든지,

교통사고로 죽는다면 아무런 소용이 없는 것이 아닐까하는 생각도 듭니다.

심장마비, 교통사고 역시 따지고 보면 나에게 발생할 수 있는 높은 확률의 상황이겠죠.

(심장마비에 걸릴 수 있는 상황에 놓여있다든지, 내가 가는 길에 졸음 운전을 하고 있는 차량을 만난다든지)

[그림14. 궤도는 사랑입니다 - 출처: 침투부]

다만 우리는 그것을 통제할 수 없습니다. 통제할 수 없는 높은 확률을 운명이라고 하겠죠.

보이지 않는 것에 두려워하는 것은 의미가 없습니다. 알 수도 없는 운명에 미리 답을 정해두고 인생을 버릴 필요도 없습니다.

내가 보이고 통제할 수 있는 것의 확률을 최대한 높여가며 사랑하고 행복하게 살아갈 수 있게 미래를 내 손으로 선택해 가는 것이

광활한 우주 속 인간이 할 수 있는 삶의 태도가 아닐까 싶습니다. 

9. 마무리-시간 여행의 과학을 기다리며

1) 엔트로피가 증가하는 방향이나 시간이 흐르는 방향이나 같으니까

    엔트로피를 역전시키면 시간 역시 역전되지 않을까?

2) 엔트로피를 0으로 만들면 시간을 ‘정지’할 수 있지 않을까?

=> 절대 0도가 되면 어떤 변화도 일어나지 않는 에너지가 0인 완벽하게 정적인 상태가 됩니다!

3) 그렇다면 절대 0도 보다 낮으면 시간이 거꾸로 가겠네? 

=> 에너지는 음수가 되는데 가능할까? 에초에 음수인 에너지가 있는 것인가? 부피 또한 음수가 되는데…

4) 앞에 설명하지 않았던 열역학 제3법칙을 가져와보자.

열역학 제3법칙에 의하면 그 어떠한 이상적인 방법으로도 어떤 계를 절대 0도에 이르게 할 수 없다.

샤를의 법칙에 의해서 물질은 -의 부피를 가질 수 없으므로 절대 0도에 이를 수 없다.

하.지.만. 폴 디렉이 나타난다면 어떨까?

디렉 방적식에 의해 예측된 음의 에너지를 가지는 양전자가 발견됐네?

[그림15. 디렉방정식과 양전자 - 출처: 리뷰엉이]

5) 이러다 시간 역행 가능할지도?

[그림16. 또처드 파인먼 - 출처: 리뷰엉이]

이렇게 시간 역행에 대해 모티브로 만든 영화가 바로 ‘테넷’입니다.

테넷을 한 번 보시는 것도 좋을 것 같습니다.

제가 참고한 유튜브 또한 링크로 남깁니다. (타 유튜버를 홍보했다고 생각하시진 말아주세요 ㅜㅜ)

침투부:  시간의 과학 - https://youtu.be/qvBi0Vr5mFA

1분과학 : 시간이라는 환상 - https://youtu.be/h5EJZNIqN0k

리뷰엉이: 테넷의 과학 - https://youtu.be/tjvJS2yqCZY

             테넷- https://youtu.be/UsuIE8nW1aQ

             엔트로피 역전은 가능할까? - https://youtu.be/0xQLrn8Z3Vs

여기까지 초 장문이며 오류 투성일 수 있는 글을 읽으신 분이 계시다면 정말 감사드리고 새해 복 많~~이 가져가시길 기원하겠습니다!

그럼 침바궤바!