시간이란 무엇인가?
“시간이란 무엇인가?” 라는 질문은 철학과 과학분야에서 또는 일상생활에서 쉽게 답을 찾을 수 없는 난해한 명제이다
시간은 과거부터 지금까지 계속 있어 왔고 미래까지도 있을 것이며 이 우주가 사라지지 않는 한은 시간도 역시 사라지지 않을 것이 분명하다.
많은 철학자들과 과학자들이 고대부터 현대에 이르기까지 시간에 관하여 수많은 고찰과 주장을 하였지만, 지금까지 누구나 인정할 수 있는 시간의 정의와 이론적인 설명을 할 수 없었다. 과학계에서는 양자역학을 이용하여 시간과 속도, 시간과 중력 사이의 관계를 설명하는 이론들이 있으나 그 어떤 이론도 명쾌한 답을 주지 못하고 있다.
어쩌면 시간이란 것은 신 만이 알 수 있는 것 인지도 모른다. 그러나 인간의 호기심과 탐구 본능에 의해 양자역학을 기초로 하여 시간에 관한 연구가 끊임없이 이뤄지고 있으므로, 언젠가는 시간의 본질과 시간을 통제할 수 있는 시대가 올 수도 있을 것이다.
그러나 만일 인간이 시간을 통제하게 되는 시대가 온다면, 발생할 수 있는 모든 혼란들이 인간이 감당할 수 있을지는 알 수 없다. 과거와 현재와 미래를 오갈수 있는 수단이 인간이 손에 주어 진다면 이 세상은 홀란으로 가득찬 세계가 될 가능성이 매우 많아진다.
결국 시간이라는 것은 이 세상에 질서를 부여하는 강력한 수단이 이므로 아마도 인간이 시간을 통제하는 것은 신이 원하는 바가 아닐 수 있다. 과연 미래시대에 시간을 통제 할 수 있을지 매우 궁금해진다.
시간 측정 수단
과거에는 시간을 측정하기 위하여 여러 가지 방법을 사용했는데 대표적인 것이 태양, 달, 물, 별자리 같은 자연을 이용하였다.
해시계: 고대 문화에서 주로 사용된 시간 측정 방법 중 하나로써 태양의 일출과 일몰을 관찰하고, 이를 기준으로 하루를 나누는 방법이었다.
물 시계: 물이 일정한 비율로 흐르는 것을 이용하여 시간을 나누었는데, 이러한 물 시계는 고대 이집트와 메소포타미아에서 사용되었으며, 향후 시간 측정 도구의 원형이 되었다.
달력: 다양한 문화에서 자신만의 달력을 개발했으며, 달과 해를 기반으로 한 달력을 주로 사용했다. 예를 들어, 고대 로마에서는 율리우스 달력을 사용하였고, 그것이 후에 그레고리력으로 개선되었다.
석조 시계: 고대 그리스와 로마에서는 석조 시계를 개발하고 사용하였다. 이러한 시계는 태양의 위치에 따라 시간을 나타내는 것으로, 현대의 시계와는 다르게 그림자의 위치를 사용하여 시간을 읽었다.
별자리와 천체 관측: 별자리와 천체의 위치를 관찰하여 시간을 추정하는 방법도 사용되었다. 특히 항성 별자리의 위치는 계절과 시간을 파악하는 데 도움이 되었다.
현대에 이르러서는 언제 시계가 발명되어 그 정확성이 향상되었고 먼저 시기의 시간을 기준으로 여러 가지 시간 측정 기술의 발전하였다.
그리니치 시간(Greenwich Mean Time, GMT):영국 런던의 그리니치 왕립천문대를 기준으로 한 시간 표준이다.
국제 표준시인 협정 세계시(UTC, Coordinated Universal Time): 원자 시계를 기반으로 한 세계 공통 시간이다
과거에는 시간이란 무엇인가를 생각하기보다는 하루, 1달 1년을 어떻게 나누는가에 대한 방법을 연구하여 사용하는 것이 주목적이었다. 현재 과학계가 정의하는 ‘1초’의 기준은 세슘-133 원자가 91억9263만1770번 진동하는 시간이고, 이 시간을 기초로 모든 시간을 표기하고 있다.
시간의 시작
현대 물리학 이론에 의하면 시간은 빅뱅으로부터 탄생하였다. 빅뱅 이론에 따르면, 우주는 무한히 작고 높은 온도와 압력을 가지고 있었고, 약 138 억 년 전에 대 폭발(빅뱡)이 일어났으며, 이때 시간과 공간이 시작되었는데 그 전에는 아무런 시간과 공간 개념이 없었다.
빅뱅으로 인한 이 팽창은 아직도 지속 중이며, 그 결과로 우주의 별, 은하, 행성, 그리고 모든 것이 형성되었다. 시간은 이 우주의 팽창과 함께 시작되었으며, 우주의 발전과 함께 계속 진행 중이다.
시간의 시작점이 있었다는 것은 현재를 사는 우리가 인식하는 시간 개념으로는 이해하기가 쉽지 않은 부분이다. 우리는 시간이라는 것이 처음부터 있었고 과거부터 미래를 향하여 흐른다는 생각을 가지고 있다. 그러나 현대 물리학은 시간의 시작점이 존재하며 끝도 있다고 설명한다.
이것은 시간을 어떻게 생각하고 정의하느냐에 따라 달라지는 문제라고 생각한다. 고대부터 시간의 정의에 관한 이 이론은 존재해왔고 지금도 많은 과학자들에 의해 연구되고 있다.
시간의 정의
아리스타르 코스(Aristarchus)는 고대 그리스의 천문학자로, 시간은 “이 세상의 변화 그 자체를 의미하는 흐름”이라는 주장을 하였고 이것을 우리는 시간의 본질로서 알고 있다. 따라서 우리는 시간이 흐른다는 개념속에서 벗어나기가 쉽지 않다. 그러므로 시간은 과거에서 현재를 거쳐 미래로 흐른다는 인식을 하는 동안에는 시간에 대한 새로운 정의가 만들어지기는 어려운 일이다.
시간의 개념에 대한 인식을 크게 변화시킨 사람은 아인슈타인이다. 그는 상대성 이론에서 모든 대상의 시간이 동일하게 흐른다는 것이 물리학적으로 불가능하다는 것을 주장하며, 속도가 빠른 물체는 속도가 느린 물체에 비하여 상대적으로 시간이 느리게 흐르며 중력이 강한 공간이 약한 공간에 비하여 시간이 느리게 흐른다는 상대적 시간론을 말했다.
현대 물리학에서는 시간은 “사건과 현상의 순서와 지속을 측정하는 물리적 양” 의로 정의한다. 시간은 물리적 사건이 일어나는 순서를 나타내며, 그 사건들 간의 간격을 측정하는 도구이다. 이것은 과거에서 현재로, 그리고 미래로 이어지는 불가역적인 연속적인 개념이다. 우리가 사용하는 초, 분, 시, 일 등과 같은 것은 시간이 아니라 측정 단위 임을 분명하게 해야 한다.
또한 현대 과학에서는 중력장이라는 시공간에서 시간의 본질은 바로 중력이라는 힘의 근원 그 자체 요소라고 주장하기도 한다. 그래서 중력장 내에서는 중력의 크기에 따라 시간의 흐름이 변화되는 것이다.
시간이 과거에서 현재로 흐르는 이유
시간이 과거에서 현재로 흐르는 이유는 물리학에서도 여러 가지 관점에서 설명되고 있다. 중요한 두 가지는 다음과 같다.
상대성 이론의 관점: 알버트 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 시간은 상대적인 개념이다. 이 이론에 따르면, 관찰자의 상대적인 속도에 따라 시간의 경과가 다를 수 있다. 이것은 빠르게 움직이는 물체나 중력장이 강한 곳에서는 시간이 상대적으로 더 느려질 수 있다는 것을 의미란다. 따라서, 시간이 과거에서 현재로 흐르는 것은 관찰자의 사건이 상대적인 움직임과 위치에 따라 다를 수 있으며, 순차적으로 일어나기 때문이다.
물리적 열역학의 관점: 열역학 제2 법칙에 따르면 열은 엔트로피를 증가시키는 방향으로만 변화되고 그 역방향으로는 스스로 변화되기 어렵다고 한다. 이 우주 역시 엔트로피가 증가하는 방향 즉 무질서가 증가하는 방향으로만 움직이기 때문에, 우주에서 일어나는 모든 사건은 순차적으로 엔트로피를 증가시키는 방향으로 움직인다.
따라서 엔트로피가 증가할 때 시공간의 에너지 분포가 변하게 되면 그 전의 상태로 돌아가지 않으며 커지는 쪽이 자동으로 시간이 흘러가는 미래가 된다.
만일 양자의 세계로 이 논리를 확장시켜 양자 하나하나를 정밀하게 관찰할 수 있다면, 양자의 엔트로피의 흐름이 멈출 수도 있기에 시간의 흐름이 정지되는 현상을 발생시켜 과거와 미래가 함께 존재하는 상태가 된다는 것이다. 그러나 우주는 엔트로피가 계속 증가하는 상태이므로 시간의 흐름이 멈추어질 수는 없다. 따라서 시간은 과거에서 미래로 흐를 수밖에 없는 것이다,
새로운 이론인 양자중력 이론은 중력을 양자역학과 함께 설명하려는 물리 이론이다. 중력은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 잘 알려져 있지만, 양자 역학과는 다른 물리 법칙을 따르며 미시세계에서 작용한다. 양자중력 이론은 이 두 이론을 통합하려는 시도로, 미시세계에서 중력을 양자적으로 설명하며, 중력은 물론이고 시간조차도 양자화 된다고 주장하는 과학자가 있다.
시간의 양자화
시간은 불연속적인 양으로 연속적인 값을 갖지 않는다는 이론이다. 우리가 일상적으로 느끼는 시간이 흐른다는 속성이 사라지는 최소 시간을 ‘플랑크 시간’이라 부른다. 10의 -44제고 초이다. 이 엄청나게 짧은 시간 속에서 시간의 양자 효과가 나타난다.
시간의 ‘양자화’는 시간 t의 거의 모든 값들이 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 아주 정확한 시계로 시간 간격을 측정한다면, 측정된 시간은 특정한 값만을 취할 수 있다는 의미이다. 한자어 時間에서 알 수 있듯이 시간은 불연속적인 간격으로 존재하고 있을지도 모른다.
다시 말해, 시간의 ‘최소’ 간격이 존재하는데 이 간격 이하로 내려가면 시간으로서의 개념은 존재하지 않는다. 시간이 양자화될 수 있다는 개념은 신선한 충격이다. 그동안 알고 있었던 시간은 연속적인 값을 갖는 것으로써 우리의 개념을 지배하고 있다. 만일 시간의 양자화가 사실이라면 이 우주에 대한 관점이 근본적으로 바뀔 것이다.
시간을 완전히 정지 시킬 수 있는가?
현재의 물리학 이론에서 시간을 정지시키는 것은 불가능한데 여기에는 몇 가지 이유가 있다.
상대성 이론: 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 빛의 속도는 항상 일정하며, 시간과 공간은 상대적입니다. 이에 따라서 빠르게 움직이는 물체에서는 시간이 더 느리게 흐른다. 하지만 시간을 완전히 정지시키는 것은 불가능 하다.
물리적 문제: 시간을 멈추려면 무한한 에너지가 필요하며, 이는 현재 물리 법칙에 따라 불가능 하다.
공간의 소멸: 시간을 멈춘다면, 모든 공간이 사라진다.
불확실성 원리: 양자역학에 따르면, 시간과 에너지의 관계가 불확정성 원리로 설명되는데, 시간이 정지되면 정확한 시간 측정이 불가능 하므로 시간과 에너지의 관계를 측정 할 수 없다.
요약하면, 현재까지의 과학적 이론으로는 시간을 완전히 정지시키는 것은 불가능 하다. 만일 시간이 정지되면 공간도 사라지고 공간이 사라진다는 것은 이후 자체가 사라진다는 것이다 정보 모든 것이 무로 돌아가는 것이 돼버린다. 따라서 자연의 법칙에서는 무에서 유가 되거나 유에서 부과된 것은 불가능하므로 시간이 정지된 것은 자연 법칙에 어긋나는 것이다.
결론
시간의 본질을 드러내는 것은 신이 허락해야 할 사건일지도 모른다. 시간은 이후 우주의 질서를 지탱하고 있는 근본적인 요소이며, 시간이 변화되면 이 우주의 법칙 또한 변화가 댐이 틀림없다.
신은 시간을 감추려 하고 인간은 찾으려고 하는 술래잡기를 하는 가운데 최후의 승자가 누가 될 것인지는 아무도 알 수 없다. 그러나 분명한 것은 시간을 변화시켜 우주의 질서를 깨는 것은 있어서는 안 될 일인 것만은 틀림없다.