[과학] 시간의 흐름과 중력

 안녕하세요. everylecturenote입니다.

 이 글은 이론 물리학자 카를로 로벨리(Carlo Rovelli)의 강연을 바탕으로 작성되었습니다. 그는 우리가 상식적으로 이해하고 있는 시간에 대한 개념이 사실은 "거의 모든 것이 틀렸거나, 더 정확히 말하면 근사치에 불과하다"고 주장하며, 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론에 기반한 시간의 놀라운 본질을 설명한다. 

1. 시간은 보편적으로 흐르지 않으며, 중력에 의해 속도가 달라진다.

 사람들은 시간이 모든 사람에게 똑같이 흐르며, 일정한 속도로 과거에서 미래로 진행되는 하나의 선이라고 생각한다. 그러나 로벨리는 시간의 흐름은 균일하지 않고 주변의 질량, 즉 중력의 영향을 받는다고 설명한다.

 1.1. 중력 시간 지연 (Gravitational Time Dilation)

 로벨리는 두 개의 정밀한 시계를 예로 들며, "만약 시계 하나를 다른 시계보다 조금 더 높이 들어 올리면, 위쪽에 있던 시계가 아래쪽에 있던 시계보다 시간이 더 많이 흐른 것을 알 수 있다"이라고 말한다. 즉 시간은 아래쪽보다 위쪽에서 빨리 흐른다는 것이다.
 문자 그대로, 머리가 발보다 더 늙었다는 사실은 머리가 발보다 더 많은 시간을 경험했기 때문이다. 비록 이 차이가 평생 동안 몇 마이크로 초에 불과하지만 정밀한 시계로는 측정 가능하다.
 이러한 효과의 원인은 바로 중력이다. 시간이 아래쪽에서 더 느리게 흐르는 이유는 지구의 질량 때문이다. 즉 중력이 시간을 늦춘다.

 1.2. 블랙홀 근처에서의 시간 지연

 로벨리는 블랙홀을 예로 들며, "블랙홀 근처에서 일어나는 모든 일은 우리에 비해 느려진다"고 설명한다. 만약 미래로 점프하고 싶다면, "우주선에 타고 블랙홀 옆으로 날아갔다가 조금 기다린 후 돌아오면" 지구에서는 "수세기 또는 수천 년이 지났을 수 있다." 하지만 본인에게는 "짧은 시간만 흘렀을 뿐"이다.

 1.3. 시공간 (Spacetime)

 시간은 단순한 선이 아니라, "위쪽과 아래쪽에서 다르게 흐르는 복잡한 '직물(fabric)'"과 같다. 과학자들은 시간과 공간을 함께 '시공간'이라는 개념으로 이해하며, "위쪽의 시간, 아래쪽의 시간, 저 아래쪽의 시간이 모두 합쳐져 시공간을 이룬다"고 설명한다.
 우리가 생각하는 선처럼 흐르는 시간의 이미지는 잘못된 것이며 그것은 단지 근사치에 불과하다.

2. '지금'이라는 보편적인 현재는 존재하지 않는다.

 로벨리는 시간에 대한 또 다른 놀라운 오해는 사람들이 '현재'라고 생각하는 개념이라고 지적한다. 사람들은 우주 전체에 걸쳐 모든 존재가 공유하는 단일한 '현재'가 있다고 생각하지만, 이는 사실이 아니다.

2.1. 빛의 유한한 속도

 빛은 매우 빠르지만 무한히 빠르지는 않다. 이동하는 데 시간이 걸린다. 따라서 사람들이 어떤 사물을 볼 때, 사람들은 지금 바로 그 순간 어떤 모습인지를 보는 것이 아니라, 과거에 어떤 모습이었는지를 보는 것이다.
 두 사람이 대화할 때도, 서로를 즉각적으로 보는 것이 아니라, 약간 과거의 모습을 보고 있는 것이다.
 따라서 사람들이 주변을 볼 때 보는 모든 것은 나의 '지금'을 기준으로 약간 과거의 모습이라고 할 수 있다.

2.2. 동시성의 부재

 로벨리는 빛이 우리에게 도달하는 데 시간이 걸리기 때문에, 넓은 우주에서 두 가지 일이 동시에 일어났는지 묻는 것은 의미가 없다.
 지구에서 일어나는 일과 안드로메다 은하에서 일어나는 일을 예로 들면, 안드로메다에서 일어난 과거의 사건과 미래에 일어날 사건 사이에는 우리의 '지금'을 기준으로 과거도 현재도 아닌 많은 사건들이 있다."

2.3. 현재의 국소성 (Local Notion)

 우주 전체에 걸쳐 공통된 현재가 있다는 직관은 잘못된 것이다. 현재는 국소적인 개념이며, 장소를 우주로 확장하면 전 우주에 통용되는 현재는 존재하지 않는다. 

2.4. 실재의 의미에 대한 질문

 우리는 보통 '현재'에 존재하는 것을 실재한다고 말하지만, 우주에 현재가 없다면, 실재한다는 것은 정확히 무엇을 의미하는가? 

 결국 실재한다는 의미는 단순한 의미가 아니라 복잡한 의미로 받아들여야 한다. 

3. 과학의 아름다움

 과학의 아름다움: 과학은 단지 우리에게 새로운 것을 가르쳐주기 때문이 아니라, 우리가 옳다고 생각했던 것이 틀렸거나 근사치에 불과하다는 것을 가르쳐주기 때문에 아름답다. 과학은 우리에게 현실에 대해 다르게 생각하는 방식, 세계에 대해 다르게 생각하는 방식을 제공한다.

 이는 인류의 집단적 학습 덕분이다.

[참고영상]

카를로 로벨리 <시간의 과학> 1강 머리는 발보다 빨리 늙는다, EBS, 1월 14일, 2025년

[강연자]

카를로 로벨리(Carlo Rovelli)

• 엑스마르세유 대학 교수
• 루프 양자중력 이론의 창시자
• 저서 〈시간은 흐르지 않는다〉,〈화이트 홀〉