시간의 크기를 착실히 재었더니 사라졌다, 어떤 일인가!?

시간의 크기를 착실히 재었더니 사라졌다, 어떤 일인가!?

 

 

 

자연계의 다수는 대칭성을 가지고 있는데 왜 시간은 한 방향으로만 흐르는가?

고래 물리학자들을 고민하게 한 궁극의 물음이다. 케임브리치대학 우주이론센터에서 호킹 박사에 사사하고 훈도를 받은 젊은 물리학자가 이론물리학의 최신 지견을 구사하여 이 난문에 도전하는 사고의 여행을 떠났다. 지금까지 <방향>, <차원수>라는 실마리에서 시간을 생각해 보았지만 다시 한 가지 중요한 실마리로서 <크기>라는 관점에서 검증하여 보았다. 그런데 시간의 최소 단위로서 미크로의 소립자 레벨을 좇고 있노라니 시간 그 자체가 사라지고 말았다. <시간은 흐른다.>라는 생각은 넌센스!? <초현이론>과 <루프양자중력이론>이라는 물리학의 차세대이론의 탐험에로의 출발이다.

 

1, 시간의 크기는 일정하지 않다.

 

시간에 대하여 생각하게 하는 실마리로서 <방향(시간의 화살표)> <차원(차원수)>를 참고로 거꾸로 되돌아갈 가능성을 생각하고 있었는데 다시 한 가지 3번째 실마리로서 <크기>를 들고 싶다. 그렇지만 시간에 <모양>이 있다고는 생각되지 않는다. 모양이 없는 것에 크기가 있다고 생각되지 않는다. 게다가 시간은 항상 일정한 속도로 나가는 절대적인 것이니까 크다든지 작자든지 상대적인 사이즈가 있어서는 안 된다고 생각된다. 그러나 그것은 시간에 대한 틀린 생각이다. 제2회의 <절대불변의 시공을 비틀어놓은 상대성이론이다. 그것으로도 깨지지 않은 것은>으로 말했는데 시간과 공간은 일체라고 아인슈타인은 생각했다.

실은 상대성이론에서는 시공은 물체의 운동에 의하여 늘어지거나 줄어들거나 한다. 사이즈가 변하는 것이다. 그러니까 시간이 진행 방법이 빨라지거나 느려지거나 하는 것이다. 곧 공간도 시간도 절대적인 것이 아니고 상대적인 것이라고 이미 100년 이상 전에 아인슈타인은 그런 어림도 없는 것을 말하여 인류의 자연관을 근저부터 뒤집었다. 그러나 아쉽지만 고등학교에서는 아직도 발견에서 100년이 지난 상대성이론을 가르치고 있지 않다. 많은 사람들이 시간에 상대적인 <사이즈>가 없다고 생각하고 있는 것은 여기에 원인이 있다고 생각된다.

 

2, 시간의 크기, 최소단위는 어느 정도인가?

 

시간의 단위를 분할하면 소립자 레벨로?

다시 한 가지, 그러면 시간의 <크기>에는 하한이 있는가. 혹은 최소 단위 같은 것이 있는가 하는 논점도 있다. 거기에는 시간은 무한히 작게 쪼갤 수 있는 것인가 하는 깊은 테마가 감추어져 있다. 곧 시간을 차차 분할해가면 최후에는 소립자 같은 최소단위에 닿는 것이 아닌가 하는 것이다. 실은 시간도 그런 양자세계의 일원이 아닌가 하는 것이다. <막스웰의 악마>가 부활하여 시간이 거꾸로 되돌아 온 것처럼 양자세계에서는 시간에 대해서도 무엇이 일어나도 불가사의한 것은 아니다. 이렇게 생각해가면 시간의 <크기>에 대해서는 <중력>과 <양자>라는 2개의 키워드를 바탕으로 생각하는 것이 좋을 것으로 생각한다. 그러나 이 2 가지를 함께 생각하는 것은 실은 여러 가지로 귀찮은 일이 된다.

 

3, ‘중력’은 <힘> 일가의 변한 것이다.?!

 

이 세계의 자연현상은 지구만이 아니라 우주의 어떤 곳에서도 모두 기본이 되는 4가지의 힘으로서 다음의 4가지 것이 있다.

자연계의 기본이 되는 4 가지의 힘

(1)전자기력(電磁氣力)-전기의 힘과 자기의 힘이다. 중력을 빼고 우리들이 늘 느끼는 <힘>이다. 전자와 원자핵을 결합시켜 원자를 만드는 힘이나 원자끼리 결합하여 분자를 만드는 힘도 포함된다.

(2) 강한 힘-소립자 중의 쿼크(quark=소립자의 구릅의 하나이다. 레프톤과 함께 물질의 기본구성요소이고 쿼크는 하드론을 구성한다.)를 결합하여 양자나 중성자를 만들고 다시 양자와 중성자를 결합시켜 원자핵을 만든다. 우리들이 항상 느끼기에는 스케일이 작지만 강한 의지가 되는 힘이다.

(3) 약한 힘-원자핵의 베타붕괴, 중성자의 붕괴 등 소립자에는 시간이 지나면 붕괴하는 성질을 가진 것이 있다.　그 원인이 되는 힘이다. 전자기력보다 훨씬 작으므로 이런 이름이 붙여졌다.

(4)중력-소위 <물체의 무게>로서 우리들이 가장 가까이 느끼는 힘이다. 질량을 가진 모든 물체에 작용하는 보편적인 힘이다.

이 세상의 자연현상은 지구만이 아니라 우주의 어느 장소에서도 모두 기본이 되는 4가지의 힘 인 어느 것에 의하여 일어난다. (1)-(3)의 3가지의 힘은 *<보즈립자(혹은 보손)>라 불리는 소립자를 매개하여 힘을 전달하는 것이 양자역학의 진전에 따라 분명해졌다. 이들 중 중력은 다른 3가지의 힘처럼 소립자의 작용으로서 이해하는 것이 지금은 되어 있지 않다. 우주에서 중요한 힘인데도 불구하고 중력만이 일반상대성이론을 기원으로 하고 있어서 양자역학과는 이어지지 않고 있다.

*보손 (Boson)

보손는 스핀이 정수고, 보스-아인슈타인 통계를 따르는 매개 입자다. 인도의 물리학자 사티엔드라 나트 보스의 이름을 땄다. 페르미온의 반대말이다. 모든 입자는 스핀이 정수이거나 반정수이다. 위키백과-----

 

4, 달리도 여러 가지 중력의 바뀌는 것들뿐

 

또 4개의 힘 중에 중력은 어림도 없이 작은 것이다. 크기의 차례는 강한 힘>전자기력>약한 힘>중력, 으로 이렇게 되는데 여기서 전자기력=1로 하였을 때 각각의 힘의 크기를 비율로 나타내면 강한 힘은 10의 6승이므로 1000000이다. 약한 힘은 10의 마이너스 4승이므로 0.0001이 된다. 그러면 중력이라면 무려 10의 마이너스 36승이다.

따라서 0.0000000000000000000000000000000000001이 된다. 아무리 무엇이라 해도 다른 3개와 다르다. 중력에는 다시 불가사의한 특징이 있다. 상대에 대하여 인력밖에 미치지 않는다. 다른 3개의 힘은 상대를 끌어들이는 인력과 상대를 멀리하는 척력(斥力)을 균형 좋게 가지고 있는데 어째서 중력만이 일방통행이다.

거기에는 <시간의 화살>과 같은 냄새를 풍기는 것 같은 느낌이 든다. 단지 다른 3개의 힘은 인력과 척력이 상쇄되어서 큰 힘이 되지 않는 일이 많은 데 대하여 중력은 일방통행이기 때문에 인력만이 점점 원방에까지 전해진다. 그러니 중력은 질량만 있으면 어떤 물질에도 작용한다. 큰 규모로 보면 저 다크 마터(dark matter/暗黒物質=우주 곳곳에 덩어리로 존재하고 보이지는 않은데 중력을 가진 물질) 다크 에너지(dark energy=우주전체에 균등하게 분포되어 있어서 우주가 팽창하는 스피드를 점점 빠르게 하는 힘을 가지고 있다.)에도 그 힘이 미친다. 4개의 힘 중에 광대한 우주에서 어림도 없이 작은 중력의 지배가 압도적으로 웃돌고 있다.

이처럼 4개의 힘 중에서 중력이 매우 이질적인 특별한 존재임은 어느 별이라도 틀림이 없을 것이다. 어느 날 학생에게서 영화 <스타워즈>의 힘 같은 것은 참으로 있습니까?> 하는 질문을 받은 일이 있다. 그 때 나는 이렇게 답하였다. <만일 있다고 하면 반드시 4개의 힘이 있을 것이다. 그리고 가능성이 가장 높은 것은 중력일 것이다. 암흑물질에도 작용하는 중력을 조종하면 우주의 지배자가 될 수 있을는지 모른다.>

중력을 조종하면 마스터 요다(스타워즈의 출연자/스타워즈 등장인물 요다는 《스타 워즈 시리즈》에 등장하는 가공의 인물이다. 요다는 제다이 중 한 명으로 여러 명의 제다이를 제자로 두었다.)처럼 x윙(스타워즈에 등장하는 가공의 전투기)을 들어 올릴 수 있다? 조금 지나치지 않은지 모르나 젊은이에게는 자신이 죽어서 100년이 지나서 겨우 열매를 맺을 정도의 장대한 연구에 당했으면 하는 생각에서 이런 대답이 되고 말았다.

 

5, 4개의 힘 모두를 통괄하는 이론 <우주중력이론>의 실현

 

4개의 힘의 특징과 이론의 통일이다. 최초로 가지가 갈린 중력을 통일하는 것이 물리학자의 비원이다. 그런데 중력과 같은 중요한 힘을 양자역학에서 다루지 않은 것은 물리학으로서는 큰 문제이다. 중력도 양자역학의 통일적인 취급-이것은 물리학의 궁극의 목표라 할 수 있다. 나의 스승 호킹 박사도 그것을 가능하게 하는 이론을 (모든 것을 설명할 수 있는 만능이론)이라고 자리매김하고 완성시킬 것을 꿈꾸고 있었다. 이런 물리학자의 바람은 지금 (1)전자기력과 (2)약한 힘을 마무리하는 데까지는 <전약통일이론(電弱統一理論)>. 혹은 공헌자의 이름을 취하여 <와인버그 살람 이론(Weinberg-Salam theory、WS理論=약한 상호작용과 전자상호작용을 통일적으로 기술하는 전약통일이론이다. 구라쇼=와닝버그 살람이론（GWS이론）이라고도 한다.)에 의하여 실현되었다. 다음은 이것과 (3) 강한 힘을 마무리한 <대통일이론>이 아직은 미완성이지만 힘을 매개하는 소립자가 밝혀졌으므로 길이 보이기 시작했다. 문제는 현재 <양자중력이론>이라 부르는 중력을 포함한 4개의 힘 모두를 마무리는 데에 있다.

 

6, <양자중력이론>확립의 네트워크는 영

 

양자중력이론을 만드는 데서의 곤란은 중력을 양자화 하는 데 있어서 중력을 매개하는 소립자(예를 들면 중력자라고 가정하고 있는 것)에는 크기가 없다는 것이다. 이것은 중력에 한하는 말이 아니라 물질의 최소단위인 소립자는 극소의 <점>인데 이 <점>에는 크기가 없는 것이다. 그러면 곤란한 일이 생긴다. 여러분은 수학에서 절대로 해서는 안 되는 일이 하나 있다는 것을 아는가. 선생의 머리를 두드리는 것? 아니다. 그래 영(제로)을 나누는 것이다. 어떤 수이건 영을 나누는 나눗셈은 <발산(發散)>이라고 해서 답이 무한대가 되어서 결정할 수 없게 되는 것이라서 금지하고 있는 것이다.(그러나 위반하더라도 벌금을 받는 것은 아니지만). 그래서 소립자에는 크기가 없다. 곧 크기가 영이라면 양자역학에 필요한 계산을 해나가는 데에 아무래도 영을 나눈다는 금지된 손을 대지 않으면 안 되게 되는 것이다.

전자기력의 경우는 <끼어들기>라 해서 문제를 보다 미크로인 세계로 누르는 것으로 이 핀치를 잘라내었지만 자연계의 가장 기본이 되는 공간이나 시간(시공)을 상대하는 힘으로서의 중력은 다시 눌리는 일은 없다. 여기에 양자중력이론의 어려움이 있다. 실은 21세기가 되어서 20년이 지나는 지금도 어떻게 하면 좋을 것인지 축(軸)이 되는 아이디어는 정해지지 않았는데 그 유력한 후보인 아이디어는 2가지 제창되고 있다. 1은 <초현이론(超弦理論)>이고 또 1은 *<루프양자중력이론>이다.

 

*루프 양자중력이론 (loop quantum gravity)

루프 양자중력 또는 고리 양자중력은 중력의 양자적 속성을 설명하기 위해 개발된 이론이다. 기존에 발견된 고전적인 시공간을 양자화된 1차원 고리의 형태로 간주하며, 고리로 간주되는 시공간의 격자들은 기하학을 통해 기술한다.위키백과

시공(시간과 공간)에 그 이상의 분할 불가능한 최소 단위가 존재함을 기술하는 이론이다. 초현이론(超弦理論)과 나란히 중력의 고전론인 일반상대성이론을 양자화한 양자중력이론의 후보이다.

 

7, 고차원세계에서 현을 튕기는 <초현이론(超弦理論)>

 

초현이론은 간단히 말하자면 소립자를 크기가 영인 점(點)이 아니고 길이를 가진 <현(弦/시위)>이라는 것이라 생각하는 이론이다. 그럼으로써 영으로 나누면 무한대로 발산한다는 초난문(超難問)을 회피하려는 발상이다. 현은 각각 진동하고 있어서 그 움직임 정도로 어떤 소립자인가가 표현된다. 현은 <끈> 이라고도 부르는 때문에 <초끈 이론>이라고 부르기도 한다.

초현이론의 또 하나의 커다란 특징은 9차원의 공간과 1차원의 시간이라 하는 매우 고차원의 시공을 생각하는 것이다. 극히 크게 잡아 말한다면 초현이론에서는 물질을 만드는 <페르미입자>(혹은 페르미온)과 힘을 매개하는 *보스입자에는 대칭성이 있다고 생각된다. 이것을 특히 <초대칭성>이라 한다. 그리고 이 원리와 여러 가지의 계산의 결과가 잘 어울리게 가지런히 하면 경과로서 9+1이라는 고차원의 시공이 된다는 것이다. 그리고 우리들로서는 여분의 6차원 공간은 인공적인 *<컴팩트화>라 불리는 수축으로서 눈에 보이지 않게 된다고 생각한다.

또 초현이론에서는 현은 2종류가 있다고 생각한다. 하나는 양 끝에 아무것도 없는 끈 모양으로 또 하나는 양 끝이 붙어서 고리가 된 것이다. 전자를 <열린 현> 후자를 <닫힌 현>이라고 한다. 그리고 물질을 만드는 페르미 입자나 전자기력 등의 힘을 전하는 보스입자는 열린 현이고 중력을 전하는 중력자만 닫힌 현으로 표현된다고 생각한다. 그런데 자신이 설명하고서 미안하지만 이제까지의 이야기가 <이해되었다> 생각하는 분은 아마도 거의 없을 것이 아닌가. 아무튼 연기에 싸인 느낌이 드는 것이 아닌가 생각한다. 그러나 이것만으로도 하나의 책이 될 것이고 정직하게 말하자면 이해하지 못하여도 어떻든 이번의 이야기를 읽어주는 데에 불편함은 없으므로 초현이론이란 이런 것이로구나 하고 생각해주시면 좋을 것이라 생각한다.

*페르미 입자 (Fermions)

페르미 입자는 페르미-디랙 통계를 따르는 입자다. 페르미온은 반정수의 스핀을 가진다. 이 이름은 이탈리아의 물리학자인 엔리코 페르미의 이름을 땄다. 모든 입자는 그 스핀 혹은 통계에 따라 페르미온과 보손으로 나눈다.위키백과

양자역학에서 입자의 종류를 나타내는 명칭이다. 페르미온（Fermion）이라고도 불린다.(위키페디아)=================

*보스입자(Boson)스핀의 각운동량의 크기가 정수배(整数倍)의 양자역학저 입자이다. 보손 또는 보존이라 불리어 그 명칭은 인도 물리학자 이름에서 유래한다.(위키페디아)

*컴팩트화(compactification)수학의 일분야인 위상공간론의 개념이다. (위키페디아)-Wikipedia===========

 

8, 새로운 시공 모델을 구축한 <루프양자중력이론>

 

또 하나의 유력 후보 루프양자중력이론은 <양자역학은 아인슈타인도 인정한 ‘인과율’을 깰 수 있을까?>에서도 약간 등장한 이탈리아 물리학자 칼 로베리가 제창한 것이다.　

이 이론에서는 시공은 3차원의 공간과 1차원의 시간이라는 현상처럼 설정되어 있다. 그 점은 초현이론에 비하면 매우 안정된다. 단지 시공의 취급을 양자적으로 <이산적인 것>으로 취급한다. 양자역학의 기묘한 성질로서 <에너지의 양은 띄엄띄엄한 값을 취한다.>라는 말을 하였다.

(괴 그 1 시간의 흐름은 연속적이 아니다!?).

양자역학에서 에너지가 취하는 값은 사이가 없는 연속적인 것이 아니라 띄엄띄엄 불연속적인 것이 된다는 것을 <이산적(離散的)>이라 한다. 이것과 같이 연속적이라고 생각되었던 시공도 실은 불연속으로 공간도 시간도 띄엄띄엄 짠 그물눈처럼 이산적인 구조를 하고 있다고 생각하는 것이다. 구체적으로는 <노드(node)>라고 부르는 점과 그것들을 격자상(格子狀)으로 맺는 <에지(Edge=끝(端), 가장자리(縁)>라 불리는 선으로 된 네트워크로 시공 전체가 표시된다고 생각된다. 이 이미지는 철도나 버스의 노선도나 전기회로 등을 만들 때 <잇는 방법>을 생각할 때나 최근에는 SNS처럼 사회적인 네트워크의 문제를 풀 때 도구로 하여 유효하다고도 말한다. 수학의 <그래프이론>과 비슷하다.

루프양자중력이론이 예언하는 시공의 네트워크에서는 *<스핀(spin=회전, 선회)>이라 불리는 소립자의 회전 방향이 중요한 의미를 가진다. 거기서 이 네트워크는 종종 <스핀 네트워크>라고도 불린다. 그리고 스핀네트워크에는 중력을 나타내는 <바퀴>가 있어서 루프양자중력이론이라고 이름이 붙었다, 루프양자중력이론이란 이처럼 시공을 이산적(離散的)으로 취급하는 데서 공간이나 시간에는 그 이상은 분할할 수 없는 최소단위가 있음을 나타내는 이론이다. 그렇게 함으로써 시공 그 것을 양자화하고 다시 최소한의 <크기>를 줌으로써 앞에서 말한 <영으로 나눈다.>고 하는 발산의 문제도 회피하고 있는 것이다.

여기에 초현이론과의 본질적인 틀림이 있다. 초현이론에서는 9+1=10차원이라는 고차원의 시공을 상정하지만 그것은 기존의 4차원 시공에 인공적으로 콤팩트화한 6차원 공간을 붙인 것이고 그 의미로는 일반상대성이론에서 이끌린 시공의 개념을 크게 변경하는 것은 아니다. 한편 루프양자중력이론은 시공의 양자화를 목표로 한 일반상대성이론과도 양자역학과도 다른 <띄엄띄엄 시공>이라는 새로운 시공모델을 구축하였다. 그러면 참으로 시공이 띄엄띄엄한 양자라고 하면 공간이나 시간의 최소단위는 어느 정도의 사이즈인가.

 

9, 미크로 세계에 그린 장대한 꿈의 결정

 

루프양자중력이론의 제창자 로베리는 그것은 *<프랑크 스케일(Planck scale)>이 된다고 생각하고 있다. 프랑크 스케일이란 양자역학을 낳은 어머니라고도 일컬어지는 프랑크가 나타내었다.

자연계의 여러 가지 양에 대하여 극소라고 생각되는 값의 총칭으로 프랑크길이(길이의 단위 10의 마이너스 33승cm), 프랑크 온도(온도의 단위), 프랑크시간(시간의 단위)등이 있다. 이들 중 프랑크시간은 광자가 프랑크 길이만 나아가는데 요하는 시간이라고 정의되어 있어서 그것은 10의 마이너스 44승초라는 *오다(order)이다. 1억분의 1초를 10억분으로 하여 다시 10억분의 1로 하고 다시....또 다시....로 4회를 하면 이렇게 된다. 시공을 양자화 한다면 공간은 프랑크길이로, 시간은 프랑크시간이 된다고 로베리는 생각하고 있다. 저서 <시간은 존재하지 않는다.>에 따르면 그는 대학시대에 <10의 마이너스 33승(=프랑크 길이)>라고 적은 종이를 침실에 걸고 <이 스케일의 세계에서 무엇이 일어나고 있는지를 이해할 것>을 자신의 목표로 한 것 같다. 인간이 잡히고 있는 마크로의 시공의 제약에서 자유롭게 되고 미크로의 세계를 이해하고 싶다는 장대한 꿈이 이 이론의 원동력이었던 것일 것이다.

*프랑크 스케일(Planck scale=프랑크 단위계로 나타내는 에너지, 질량, 길이, 시간의 특징적인 양. 각각 프랑크 에너지, 프랑크 질랼. 프랑크 길이, 프랑크 시간 등으로 부른다.=================

*오다（order）란 물리학이나 공학 등에서 자주 쓰이는 용어로 10이나 100 혹은 0.1이나 0.001 등, 숫자의 자릿수（10의 거듭제곱)를 의미한다. 질서, 순서, 명령, 주문 등으로 번역된다.====================

*10의 거듭제곱=영어에서 번역됨-10의 거듭 제곱은 숫자 10의 정수 거듭 제곱입니다. 다시 말하면 열 개 자체에 특정 횟수를 곱한 것입니다. 정의상 1 번은 10의 거듭 제곱입니다. 음수가 아닌 10의 처음 몇 가지는 다음과 같습니다. 위키백과(영어)===========

 

10, 양자중력이론의 후보들은 시간을 어떻게 생각하는가

 

중력과 양자를 통일적으로 취급하는 양자중력이론이라는 것은 참으로 존재한다면 그것은 초현이론인가 루프양자중력이론인가 아니면 무언가 다른 이론인가 물론 아직은 결론을 내놓을 일은 아니지만 답은 이들 중 어느 것이 될 것이다. 어느 이론에도 현실의 관측에 근거하는 증거가 있는 것이 아니므로 직접 바른지 어떤지 검증할 수는 없지만 졸저 <시간은 되돌아올 수 있는가>에서는 <답은 모르는 문제에 대하여 설득력 있는 근거를 가지고 회답을 예언할 수 있는가>하는 관점에서 양자를 비교하였으므로 꼭 읽어 주기 바란다.

여기서는 이들 양자중력이론의 후보는 우리들의 여행의 테마 <시간은 거꾸로 돌아오는 것>에 대하여 어떤 가능성을 나타내주는가 하는 것을 검증해보자. 실은 루프양자중력이론은 시공을 양자화 하여 시간에도 소립자 크기의 <크기>가 있음을 나타내는 것만이 아니라 마침내는 시간의 존재 그 자체를 지워버렸다. 거꾸로 돌아오는 것이 아니다. 여기서는 이 놀라운 매직을 로베리의 저서도 참조하면서 뒷사정을 밝혀보려 한다.

시공은 일정불변한 것이 아니라 중력에 따라 늘어졌다가 줄어들었다가 한다는 것을 밝힌 일반상대성이론과 양자역학을 통일적으로 취급하기 위해서 초현이론에서는 시공은 본질적으로 그대로 하고 중력을 양자화 하는 것을 생각했다. 그러기 위해서 중력자 등의 소립자가 현으로 되어있다고 가정한다. 그에 대하여 루프양자중력이론이 생각한 것은 중력이 전해지는 <장(場)>, 곧 <중력장>의 양자화였다. 물리학에서는 장(場)은 물질로서의 실체를 가지고 있다고 생각되고 있다. 그리고 양자역학에 따르면 물질은 모든 것이 소립자로 되어 있으므로 중력장도 소립자로 되어 있는 것이 된다. 이 중력장이야말로 중력을 전하는 시공이다. 곧 공간도 시간도 소립자로 되어있다고 하는 셈이다. 이것이 로베리가 생각한 시공의 양자화이다. 시간도 양자 세계의 일원이라면 금방 날라드는 것이 곧 그 하나가 흔들림이다.

 

11, 흔들림은 시간과 공간의 구별마저 붕괴시킨다.

 

시간과 공간이 교체된다. 시공이 흔들리면 광원추도 흔들려서 시간방향이 공간방향이 된다.

소립자인 시간은 불확정성원리에 의하여 이리저리로 흔들려서 위치나 속도를 결정할 수 없다.

<슈레딩거의 고양이>에서 상자 안의 고양이가 <살아있다>가 <죽었다>로 결정하는 것은 당신이 상자를 열어서 안을 관측한 때라고 하는 것처럼 누군가가 관측한 때 결정된다.

예를 들면 아인슈타인이 생각한 인과율을 나타내는 광원추도 흔들린다. 광원추에서는 빛이 나가는 선을 나타내는 경계선은 기울기 45도로 그려져 있다. 그런데 시공이 흔들리면 광원추도 흔들려서 시간을 나타내는 방향이 공간을 나타내는 방향이 된다는 시간과 공간의 교체가 일어난다고 생각되는 것이다. 이 현상은 블랙홀 내부에서도 일어나고 있다고 생각하는 연구자도 있다. 거기서는 이미 공간과 시간의 구별마저 붕괴하고 있다는 것이다. 상상을 극한 상황이다.

이런 이야기는 너무 추상적이지만 저것만은 굳은 것이라고 생각한 시간도 양자세계에 들어가는 순간 무뢰한이 되어버린다는 것이다.

 

12, 시간이 사라졌다.!?

 

그런 (다른 모든 물질과 같이) 모호한 것을 일부러 <시간>이라 부르고 특별 취급을 하는 의미가 있을까. 로베리는 그렇게 생각했다. 시간이란 미리 정해진 특별한 무엇도 아니다. 시간은 방향을 정하지 않으면 없고 <현재>도 없거니와 <과거>도 <미래>도 없다. 그렇다면 있는 것은 단지 관측되었을 때에 결정되는 사상(事象)끼리의 관계이다. 이제까지는 양자역학도 시간의 발전을 전제로 하고 있었는데 벌써 시간은 표면 무대에서 깨끗이 모습을 지우고 말았다. 시간이란 관계성의 네트워크이다. 이것이 루프양자중력이론의 본질이다.

말하자면 복수의 그림을 하나의 이야기를 따라서 보여주는 그림연극 같은 시간은 환상이고 예를 들면 2장 째와 5장 째의 관계를 나타내는 것에 지나지 않다고 하는 셈이다. 물리학에서는 <모든 방정식은 시간적으로 발전하는 것을 암묵 속에 전제로 하고 있다.>고 하는 대명제가 있고 양자역학의 방정식도 그 예외는 아니다. 그러나 시간이 미래로 발전하는 것이 아니고 단지 관계성을 나타내는 것에 지나지 않다고 하는 데서 시간은 방정식 중에 녹아 든 것이다.

 

13, <시간은 무지이다.>...그러므로 의론은 계속된다.

 

시간의 본질에 관한 많은 테마가 감추어져있어서 아직 뜨거운 의론이 계속될 듯하다.

왠지 <시간은 거꾸로 돌아오지 않는가?>를 좇아서 그 <크기>를 검증하고 있노라면 시간 그 자체가 사라지고 말았다. 거기까지 하지 않아도 라고 말하고 싶은 기분이기도 하다. 그러나 로베리로서는 <거꾸로 돌아오다>라는 테마 설정이 본래 <시간이란 흐르는 것이라는 환상에 묶여있는 것이다.>고 말하고 싶은 것인지 모른다. 양자역학의 중요한 성질에 ab≠ba라는 것이 있다. <양자의 비가환성(非可換性)>이라고 해서 양자a와 양자b를 거는 차례에는 엄연히 순서가 있다는 것이다. 양자의 세계에는 미크로의 양자는 흔들리고 있기 때문에 양자의 위치가 확정되어서 속도가 확정되는 경우와 속도가 확정되어서 위치가 확정되는 경우에는 양자의 상태에 틀림이 생기기 때문이다. 한 방향으로밖에 나가지 않는 시간의 흐름은 실은 이렇게 해서 양자의 비가환성에서 생기고 있다고 생각되고 있다. 로베리의 논지를 의역하면 ab와 ba가 이콜이라고 생각하는 것은 우리들이 무지하기 때문이다. 우리들이 이 세계를 매우 조잡하게 흐리멍덩하게 보는 방법밖에 인식되지 않기 때문에 같게 보이는 데 지나지 않다는 것이다. 그리고 엔트로피라는 것이 존재하고 있는 것처럼 보이는 것도 우리들이 세계를 애매한 모양으로 기술하고 있기 때문이고 가령 미크로의 레벨에서의 양자의 상태를 완전히 알 수 있다면 엔트로피라는 것이 존재하고 있는 것처럼 보이는 것도 우리들이 세계를 애매한 모양으로 기술하고 있기 때문이고 가령 미크로의 레벨에서의 양자의 상태를 완전히 알 수 있다면 엔트로피가 나타내는 시간의 일방향성도 사라진다고 단언하고 있는 것이다. 로베리는 <물리학에서의 <시간>이란 결국 우리들이 미크로의 세계의 상세함을 모르기 때문에 생기고 있는 것이다.>라고 결론지은 다음에 이렇게 덧붙여 말한다. <시간이란 무지이다.> 나 자신은 <시간이 흔들린다.>고 하는 발상은 흥미 깊다고 생각한다. 그러나 <시간이 사라진다.>고 까지 말하기에는 아직 논리의 비약이 있는 듯이 생각된다.

그리고 루프양자중력이론에 달려드는 연구자가 증가하지 않는 이유의 일단에는 물리학자라고 하지만 벗어나지 못하는 시간에 대한 타브 같은 감각이 있는 듯이 생각한다. 시간을 양자화 할 수 있는지 하는 문제에는 이러한 시간의 본질에 관련되는 많은 테마가 숨겨져 있어서 아직도 뜨거운 의론이 이어질 것 같다.*

 

출처=gendai.ismedia.jp › ... ›

필자=다카미스 유이치(高水裕一)

1980년 도쿄 생, 츠쿠바대학(筑波大學) 계산과학연구센터연구원. 2003년. 와세다대학(早稲田大學) 이공학부물리학과 졸업. 2007년, 와세다대학에서 이학박사. 2009년, 도쿄대학(東京大學) 대학원이학계연구과 빅뱅센터 특임연구원. 2012년, 교토대학(京都大學) 기초물리학연구소PD학진특별연구원. 2013년 영국게임브리치대학 응용수학. 이론물리학과이론우주론센터에 소속하여 그 소장인 스티븐 호킹박사에 사사. 2016년부터 현직. 전문은 우주론. 근년에는 기계학습을 사용한 의학물리학 연구에 정진하고 있음.