(3) 세상을 이해하는 가장 객관적인 도구 (from. 시간은 흐르지 않는다)

  나는 문과의 감성을 가진 이과생 출신이다. 고등학생 때 물리가 어렵고 인간과 생물의 메커니즘에 관심이 많아 물리보다 생물을 더 열심히 공부했다. 그렇게 학교를 졸업한 지 10년이 넘게 흘러, 물리는 더 이상 내 인생에 영향을 주지 않을 것이라고 생각했다.

 

  이 책은 누구의 추천도 받지 않았다. 그저, 책 제목에 관심이 쏠렸을 뿐이다. 심지어 사놓은지 1년이 넘은 뒤에서야 책을 보게 되었다. 방정식은 "∆S≥0(열역학 제 2법칙)" 밖에 나오지 않지만, 책의 내용을 이해하는 것이 결코 쉽지 않았다. 사실 내용을 50% 정도 정확히 이해했을까 싶다. 그럼에도 불구하고 열심히 머리를 싸매며 저자의 가르침을 최대한 이해하고 얻은 단비 같은 작은 깨달음을 공유하고자 한다.

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「객관적 시간 = 주관적 시간」

  우리는 시간속에 산다. 우리의 삶의 시작과 끝은 시간 안에 갇혀있고, 우리의 삶 자체가 시간의 흐름이라고 봐도 무방하다. 시간은 만인에게 제공된 공평한 자원이다. 어떤 시간을 보냈는가에 따라 많은 사람이 우러러볼 정도로 회자되는 삶에 도달하기도, 그저 물이 흐르는 것과 같이 왔는지도 모르게 가버리는 삶을 살게 될 수 있다.

 

  오늘날 인류가 가지고 있는 도구 중 세상을 관측하고 이해하는데 객관적이라고 평가받는 지표는 '과학'이다. 특히, 물리는 말 그대로 우리를 둘러싼 '물리적 세상'에 대한 법칙을 탐구하고 숫자와 공식을 통해 해석하는 가장 객관적인 느낌의 학문이다. 다른건 모르겠지만, 나는 이 책을 통해 객관적인 물리의 '시간'과 위에 적은 나의 주관적인 '시간에 대한 생각'이 다르지 않음을 깨달았다(학문은 하나로 다시 통합된다는 어느 교수님의 말이 생각났다).

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「미안하지만 엔트로피 공식 먼저」

  그 과정을 증명하기 위해 우리는 몇 가지 물리적 상식을 이해해야 한다. 아까 적은 공식이 중요하다. 아래 공식이 기존 물리학에서 말하는 '시간의 흐름'을 알 수 있는 유일한 지표이기 때문이다.

 

"∆S≥0"

 

  위 공식은 '열역학 제2법칙'이라고 일컬어진다. S는 '엔트로피'를 뜻하는데, '열 에너지의 이동을 측정하기 위해 수치화한 값'이라고 이해하면 되겠다. ∆는 '델타'라고 명칭 하고, '두 변수의 차이 값'으로서 쉽게 '변화하는 정도를 측정한 값'이라고 생각하면 되겠다. '∆S≥0'는 '열 에너지는 절대 감소하지 않는다'라고 해석하며, '열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동하고 반대 방향으로는 절대 일어나지 않는다'라고도 이야기 한다.

 

  우리가 컵에 뜨거운 물을 부으면 컵은 점점 뜨거워진다. 차가웠던 컵에 뜨거운 물의 열에너지가 이동하는 것이다(차가운 컵이 뜨거운 물로 열을 보내어 더 차가워지지는 않는다). '열'은 분자가 일으키는 '동요'이다. 뜨거운 물은 물 분자들이 매우 심하게 요동치는 상태이고, 차가운 컵은 컵을 구성하는 분자들이 전혀 요동하지 않는 상태이다.

 

  당연히 동요가 심하면 분자들은 '무질서'한 상태'가 된다. 이 상태를 우리는 '엔트로피가 높다'라고 한다. 그렇다면 분자들이 규칙적으로 배열을 갖춰 있는 '질서 정연'한 상태라면 '엔트로피가 낮다'라고 추론할 수 있다. 위의 '열역학 제2법칙'을 통해 자연계는 기본적으로 '질서 정연한 상태'에서 '무질서한 상태'로 변화하는 것이 절대법칙이다. 이것을 곧 '무질서도가 증가한다', '엔트로피가 증가한다'라고 말한다.

 

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「물리의 변천과정」

  대상을 이해하려고 할 때 우리는 흐름을 보면 좀 더 이해하기 쉬운 경향이 있다. 물리도 마찬가지이다. 두 사람의 이야기를 통해 단편적인 물리 역사를 살펴보자. 물리학에서 '시간'과 필연적으로 연관되는 것이 '공간' 개념이다.

 

  고대 그리스 철학자 '아리스토텔레스'는 '물체가 변화하거나 이동하는 것을 측정하기 위해 '시간'을 사용하며, 두 물체 사이에는 빈 공간은 존재하지 않는다(공기가 존재)'라고 이야기했으며, 영국의 물리학자 '뉴턴'은 '물체의 변화가 없더라고도 시간은 흐르며, 물체가 존재하지 않아도 공간은 존재한다'라고 이야기했다.

  이게 무슨 소리일까? 아리스토텔레스의 말대로라면 '물체가 정지하거나 상태가 변화하지 않을 때는 '시간이 흐르지 않으며, 물체의 존재로 인해 공간이 존재한다(공기가 없는 공간은 있을 수 없다)'는 사실을 의미한다. 뉴턴은 물체에 변화가 없어도 그것과 무관하게 흐르는 '절대 시간'과 물체 여부와 상관없는 '절대공간(우리가 아는 '진공')'이 있다고 생각했다.

  이런 아리스텔레스와 뉴턴은 '시간'과 '공간'은 별개의 개념으로 구분하여 생각했다는 것에서 공통점이 있다. '다른 공간에 있더라도 시간은 동일하게 흐른다'는 생각이 그 예이다. 우리가 고등학생 때 배우는 물리는 '뉴턴'의 개념에 입각한 '고전물리'이다. 그다음 단계의 '물리'는 대학교에 가서 배울 수 있다. 이 말은 두 사람 다음에 새로운 시공간에 대한 개념이 있다는 것을 뜻한다.

 

  '아인슈타인'은 '시간'과 '공간'은 독립적인 개념이라고 생각하지 않았다. 우리가 살고 있는 세계(우주)의 물리적 현실을 구성하는 가장 기본은 '양자'라는 것으로 이루어져 있다(진공이란 공간도 수많은 양자들로 구성되어 있다는 사실). 그리고 그런 '양자'들이 무수히 엮여 구성한 '장(fields)'이 우리를 존재하게 만드는 물리적 세계이다. 대표적인 예가 우리를 지구에 붙잡아 두고 있는 '중력장', 어느 장소에서든 항상 나침반이 북쪽을 가리키게 만드는 '전자기장'이다.

  질량이 큰 물질일수록 강한 '중력'을 가진다. 즉, 질량이 있는 물질은 '중력장'을 형성하게 된다. '지구'라 불리는 이 행성은 주변에 비해 큰 질량을 가지며 '중력장'을 형성한다. 그리고 중력장은 '시간'을 휘게 만든다. 중력이 강해지는 근원으로 갈수록(공간의 변화) 시간은 급격하게 휘어간다. 다시 말하면, 중력이 강할수록 '시간은 느리게 흐른다'(정밀한 시계로 측정하면 '산 위에 사는 사람'은 '평지에 사는 사람'보다 시간이 빠르게 흐른다). 이 말을 통해 '시간'은 독립적인 변수가 아니라는 것을 알게 된다.

  또한 '정지해 있는 물체'보다 '운동하는 물체(속력이 있는 물체)'의 시간이 더 느리다. 움직이는 물체의 시간은 상대적으로 줄어들며, 실제 1970년대 제트기에 '초정밀 시계'를 두고 측정한 결과, 지상의 시계보다 뒤 쳐 저 있음을 발견했다. 여기서 우리는 '시간'이란 절대적이지 않다는 것을 깨달을 수 있다. 시간은 '공간'과 '속력'에 따라서 바뀌는 상대적인 개념이다.

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「우주에서 현재는 존재하지 않는다」

  이런 시간의 특성으로 인해 '현재(지금)'란 말은 우주에서 존재하지 않는다. 우리가 상대방과 마주 보며 대화하는 순간도 사실은 '빛이 상대방에게 부딪히고 내 눈으로 들어오는 시간(몇 십억 분의 1초)', '상대의 음성이 공기를 진동시켜 파동이 내 귀에 들어오기까지 걸리는 시간'의 지연이 발생한다.

 

  규모를 크게 해서 예를 들어보자. 내 친구가 지구에서 '4광년(빛이 4년 동안 이동하는 거리)' 떨어진 '빌런 A'라는 행성에 있다고 하자. 친구가 지금 무슨 행동을 하는지 궁금해서 망원경으로 봤다. 그런데 친구가 산책을 하고 있는 모습을 발견했다. 그렇다면, 친구가 산책하고 있는 것이 현재 하는 행동으로 생각할 수 있을까?

 

  친구의 산책은 망원경을 통해 본 '4년 전'의 행동이다. 내가 망원경으로 볼 때 친구의 현재는 알 수 없다. 현재를 어떻게 정의할 것인가? 내가 망원경으로 볼 때 관찰한 모습? 아니면 내가 망원경 관찰을 시작하고 난 4년 후에 관찰되는 친구의 모습? 4년 후 친구의 모습을 기다리는 동안 친구가 지구로 다시 귀환해서 내 옆에 왔다면?

 

  좀 더 상황을 확장해보자. '빌런 A'의 행성이 지구와 똑같은 질량과 중력장을 가진 행성일 때 '4년'이라는 기준이 가능하다. 만약 '빌런 A'의 행성에서의 중력이 지구보다 작아서 지구의 '1년'이 빌런 A 행성에서 '2년'에 해당한다고 해보자. 내가 '4년'을 기다리는 동안 친구는 이미 '8년'의 세월을 살았다. 다시 한번 생각해본다. 진짜 '현재'가 존재할까?

 

  우주에서 공유할 수 있는 '현재'는 없다. 우리가 '현재'라고 부를만한 것들은 우리가 인지할 수 있는 시간의 흐름 안에서만 가능하며 '지구'정도의 규모가 한계라고 한다. 이에 따라 시간에 대한 우리의 통념은 바뀐다. 우리가 생각했던 시간의 역사는 공통된 현재의 역사가 선형 구조로 이루어진 개념이었다. 그러나 물리학을 통해 세계는 개별의 '현재'에 대해 원뿔형 구조를 이룬다는 사실을 발견했다.

  '현재'는 공유될 수 없다. 나의 '현재'를 기준으로 지나온 일들의 기록인 '과거'의 원뿔과 앞으로 일어날 '미래'의 원뿔이 존재하며 그 밖의 사건들은 모두 '확장된 현재'라고 불려진다. 이해가 안 될 수 있다. 분명, 우리는 주변의 많은 사람들과 이 순간을 함께하고 있는데 공유된 현재가 없다니?

  언급했듯이 우리의 시간구조는 우리가 인지할 수 있는 범위 내에서 형성되었다(정확히는 우리가 이런 물리계에서 진화를 했기에 인지가 가능한 것이다). 위의 원뿔 구조로 다시 설명하자면, 사선이 수평에 가깝게 기울어져 있는 확장된 현재(사건)들이 주변에 깔려있는 구조가 지구를 살아가고 있는 우리이다. 세상에 존재하는 모든 것을 '사물'이 아닌 '사건'으로 인지하는 것이 세계를 이루는 근본적인 무언가에 대한 이해의 시작이라고 생각한다(저자의 생각도).

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「세상은 '사물'이 아닌 '사건'으로 인지한다」

예전에 중국 '알리바바'의 창업자이자 성공한 사업가인 '마윈'씨가 이런 말을 한 적이 있다.

 

"모든 사람은 한 권의 책이다"

-마윈(알리바바 창업자)-

 

  처음에 이 말을 들었을 때는 '캬 정말 멋진 말이다. 나도 써먹어야지'라고 생각했다. 말에 대해 성찰할 생각이 없었다(당시에 내가 가진 사고력으로는 성찰도 무의미했을 것이라 생각한다). 말의 의미를 깊게 파고들 정도로 어려운 문장이 아니기 때문이다. 그러나 책을 읽고 나서 이 말을 떠올렸다.

 

  '책'이라 함은 누군가(확장된 현실)가 자신을 세상에 남겨둔 흔적(과거, 역사)이다. 그 책을 읽은 나는 그의 흔적을 이해하고 감명받을 수 있다. 그런 나의 뇌(신경세포의 배선)는 책(사람)의 경험을 통해 성장한다('나의 현재'에 속한 수많은 미래 중 하나의 지점에 충돌해 사건을 일으킨다).

 

  '사람은 한 권의 책이다'. 우리의 삶에서 '타인'은 필연적이다. 사람과의 만남에서 행복을 느끼고, 나를 성장시키고, 배우고, 경험한다. 그런 과정에서 때로는 이별의 고통을 겪고, 나쁜 길에 빠지고, 심지어는 죽음을 택하기도 한다. 사람은 한 권의 책이자, 역사이며, 사건이다. 나의 삶에 어떤 사람들(확장된 사건)과 상호작용을 하느냐에 따라 불확실한 미래(시간의 양자 중첩) 중 하나의 미래가 출현한다(사건의 발생).

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「시간은 '양자'이다」

  위와 같은 깨달음은 나의 주관적인 생각이라고 할 수만 없다. 책에서는 이것을 물리학으로 증명해준다. 물리학에서는 시간 역시 '양자'로 구성되었다고 한다. '양자'는 '입자성'의 성질을 가진다. 입자의 성질을 가진다는 것은 연속적인 것이 아니라 낱개로 구성되어 있다는 것을 말한다. 즉, 우리가 스톱워치를 눌러 측정한 시간은 연속된 시간이 아니라 하나의 '입자'가 선택된 것이다(세상에 연속적인 것은 없다. 세상은 아주 미세하게 분리된 입자들의 구성이다).

 

  시간은 또한 '양자 중첩'의 특성을 가진다. 물리계에서 전자는 한번 나타났다가 다시 나타날 때까지 그동안 정확히 어디에 위치하는지 특정한 위치를 가지지 않는다(SF영화에서 워프(차원 도약)하는 것과 같다고 이해했다). 이것을 전문용어로 '중첩'이라고 한단다. 입자의 특성을 지닌 '시간'도 전자와 마찬가지로 '중첩'의 특성을 가진다. 그래서 우리는 미래를 특정할 수 없다.

 

  '중첩'상태의 전자의 위치를 특정할 수 있는 순간이 있다. 바로 '입자 검출기'라는 기계에 잡히거나 '광자(빛의 최소 구성)'와 충돌할 때이다. 이처럼 '시간'도 특정한 물리적인 무언가에 의해 상호작용이 되었을 때 특정되며, 이것을 '사건'이라고 이해했다. 내가 스톱워치를 재는 것, 내가 몰던 차가 교통사고 난 것, 내가 좋은 시험 점수를 받은 것. 이 모든 것들이 물리적 '사건'의 예라고 생각한다.

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「'시간'속에 진화한 '뇌'와 미래가 결정되는 과정」

  교통사고나 스톱워치는 이해하겠는데 좋은 시험점수를 받는 것이 물리적인 사건이라고 할 수 있는지에 의구심이 생길 수 있다. 이는 인간뿐 아니라 지구에 존재하는 모든 생물이 태어나고 진화한 것이 특수한 물리적 환경(중력장, 전자기장 등 물리계)이기에 당연하다.

 

  '엔트로피 법칙'과 '이토록 뜻밖의 뇌과학' 책의 내용을 섞어 이야기를 풀겠다. 우리의 '뇌'는 신체를 어떻게 운용할 것인가에 대한 고민을 하고 거기에 맞추어 '신체 예산'을 집행한다. '신체 예산' 조절은 내부에서 해결하는 것(호르몬 분비, 소화, 면역 등)과 외부에 영향을 받아야 하는 것(친구와 어울리기, 부모의 양육, 법의 준수 같은 사회적 현실 상호작용)들이 있다. 뇌는 '신체 예산'을 생존에 유리한 방향으로 이끌기 위해 '예측'을 하도록 진화했다.

 

  먼저 우리의 '뇌'가 시간에 종속되게 진화한 이유에 대해 이야기해보자. 굴러다니는 돌은 마찰열에 의해 정지한다. 고여있던 물이 증발하여 사라진다. 바람의 풍화작용에 의해 세월에 걸쳐 바위가 깎인다. 거대했던 모래 산은 세월에 걸쳐 평지의 사막으로 변해간다.

 

  모두 질서 정연한 구조가 무질서한 구조로 변화한 과정이다. 이것을 '엔트로피가 증가한다'라고 하며, 우리는 앞서 '엔트로피는 줄어들지 않는' 세계의 법칙을 배웠다(열역학 제2법칙). '열역학 제2법칙'이 적용되는 세상의 조상 인간들은 주변에서 이런 '엔트로피 증가'를 경험했다. 엔트로피가 적은 것이 증가하는 일상, 이것은 '시간의 흐름'이었다.

 

  인간의 '뇌'는 언급했듯이, 시간의 불확실성(미래)에 잘 대응해야만 생존할 수 있었다. 맹수의 발자국을 발견하고(과거의 흔적) 길을 돌아서 가는 것, 떨어진 나무 열매를 통해(과거의 흔적) 먹을 수 있음을 알게 되는 것. 미래를 잘 대응하여 우리의 '신체 예산'을 효율적으로 운영함으로써 생존에 성공할 수 있다. 시간이 없는 세계의 인간은 상상하기 힘들다.

 

  이런 '예측'을 하는 현재의 '뇌'는 수많은 물리적 현실과 상호작용을 통해 시간을 특정한다(사건의 발생). 역시 예를 들어보자.

학교에서 '시험'이라는 '사회적 현실'이 존재한다(사건의 발생 1). '현재'의 나의 '뇌'는 '시험 점수를 잘 받는다'라는 행위가 생존에 도움이 되는 것으로 예측한다. 시험을 잘 치기 위해서는 해당하는 공부 내용을 찾는다. 공부하는 내용들이 '시각정보'로 '뇌'에 전달되고 '뇌'에서는 '신경세포의 화학적 연결(배선의 강화)'을 통해 '기억'을 형성한다(사건의 발생 2). 시험에 나온 문제들을 보고 기억해(해당 신경세포의 화학적 연결 상태로 바꾸어) 답을 적고 시험에서 높은 점수를 받는다(사건의 발생 3).

  예시를 들기 위해 사건에 번호를 붙였지만, 우리는 수많은 시간 입자로 둘러싸인 환경에서 셀 수 없이 무수히 많은 상호작용(물리적 충돌)을 통해 각자의 시간을 특정한다(사건의 발생).

 

  위의 예시가 이해가 안 간다면 '우리에게 공이 날아오는 경우'로 다시 예시를 들어보자. 우리의 뇌는 생존을 위해 '예측'을 해야 한다고 말했다. '뇌'는 일단 빠르게 나에게 날아오는 것은 위험하다고 판단한다. 공이 날아온다(시험을 처야한다), 뇌는 공의 경로를 예측해본다(시험 점수를 잘 받기 위해 예측한다). 어릴 때부터 운동을 통해 길러온 근육을 조절해 움직인다(학습을 통해 기억을 형성한다). 성공적으로 공을 피했다(시험 점수를 잘 받았다).

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「'자기 확신' = '미래 특정', 그리고 '책 읽기'」

  위의 예시의 차이는 '시간'의 규모에 있다. 시험을 칠 때까지는 시간을 특정할 사건이 많고, 공을 피하기 까지는 시간을 특정할 사건이 적다. 시간의 규모에 우리의 '뇌'가 어떻게 대응하냐에 따라 우리가 원하는 미래로 이끌어 준다고 생각한다. 미래에 대해 '자기 확신'이 강한 사람은 자신이 원하는 방향으로 시간을 특정할 수 있는 사람이라고 여겨진다. 이것은 성공한 사람들의 증언을 통해 심심찮게 들어볼 수 있다.

 

 '자기 확신'은 내가 무엇을 할지 알고 있고, 그것을 하고 있고, 그것을 통해 긍정을 경험하는 과정의 연속이라고 생각했다. 물리학 얘기를 하다가 이런 얘기를 하는 이유는 물리학, 생물학, 철학 등 이 모든 학문들이 결국은 하나로 이어진다는 사실에 주목하고 싶기 때문이다.

 

  이런 얘기를 함부로 할 정도로 나의 성취가 대단하지는 않지만, 이런 나라도 이런 생각을 품을 수 있다는 것을 얘기하고 싶었다. 블로그에 글을 적고 주변 사람들에게도 항상 '책 읽기'의 중요성에 대해 말한다. 여러 책을 통해 학문을 통합하고 지식을 통합하는 이 작은 떨림과 흥분은 나의 시간을 특정하고 나의 미래를 특정하게 만든다고 믿는다.

 

  그렇기에 이런 초라한 블로그라도 방문해 글을 읽어주는 분들에게 '책 읽기'를 통해 변해가는 나의 사고 과정을 보여주고, '책 읽기'의 참모습을 홍보하고 싶다고 생각했다(좋은 것은 나눠주고 싶은 것 또한 책 읽기 효과가 아닐까).

 

  물리학에 대한 지루한 설명이 '책 읽기'의 중요성으로 끝났다. 글을 적으면서도 이렇게 밖에 적지 못하는 실력에 아쉽지만 미래의 나는 좀 더 잘 적을 것이라고 확신한다. 세상과 타인을 이해할 수 있는 도구가 많을수록 생존성은 높아진다. 그렇기에 또 하나의 도구를 얻을 수 있는 이 책의 가능성에 대해 이야기하며 끝을 맺는다.