시간여행을 위한 최소한의 물리학

프롤로그 물리학자의 시선으로 본 시간 6

1장 지구는 형편없는 시계다: 시간의 탄생 15
2장 암석에 남은 시간의 흔적: 지구와 우주의 나이 29
3장 망원경은 타임머신이다: 빛의 속도 41
4장 시간은 화살처럼 날아간다: 엔트로피 법칙 53
5장 시간과 공간은 분리된 개념이 아니다: 상대성이론과 시공간의 개념 67
6장 시간여행자는 우리 가까이에 있다: 시간 지연 81
7장 발이 머리보다 젊다?: 중력 시간 지연과 사건의 지평선 93
8장 언젠가 시간이 멈출지도 모른다: 블랙홀과 특이점 107
9장 과거로 시간여행 후 히틀러를 죽인다면 어떻게 될까?: 웜홀과 타임머신 119
10장 어쩌면 시간은 존재하지 않는 것일지도 모른다: 블록 우주와 시간의 존재 133

에필로그 시간여행 실험 146
감사의 말 149

빛은 우주를 가로질러 도착한 엽서와 같다. 엽서를 받은 사람은 쓴 사람이 현재 무엇을 하고 있는지는 알 수 없지만, 엽서를 쓴 그날에는 무엇을 하고 있었는지 알 수 있다. 또한 엽서에 담긴 메시지가 수신자에게 전달되기까지 시간이 걸리는 것처럼 빛은 항상 과거의 사건을 보여준다. 우리는 지금 이 순간의 달을 볼 수 없고, 달에서 빛이 떠난 시점인 1.3초 전의 달의 모습을 볼 수 있다. 이는 사람들과 일상적인 상호 작용에서도 마찬가지다. 누군가로부터 1m 떨어진 곳에 서 있으면, 그 사람의 지금 모습은 볼 수 없다. 대신 빛이 떠난 30억 분의 1초 전의 그 사람 얼굴을 볼 수 있다. 빛이 이동하는 데 시간이 걸린다는 것은 ‘지금’이라는 개념을 일관적으로 정의할 수 없다는 뜻이다. 우리는 항상 과거만 볼 수 있을 뿐 ‘현재’는 절대 볼 수 없다.

우리가 세상에서 경험한 바에 따르면, 시간과 공간은 전혀 다른 개념처럼 보인다. 무엇보다도 공간에 있어서 우리는 상당히 자유롭다. 예를 들어 한 방향으로 이동하다가 멈추고 왔던 길로 돌아가는 등 방향을 바꿀 수도 있고, 이동 속도를 변경할 수도 있다. 가만히 앉아 있거나 걷고 달리기도 하고, 자동차나 비행기나 로켓으로 여행하기도 한다. 반면, 시간은 그와는 달라 보인다. 우리는 과거에서 미래로, 변하지 않는 한 방향으로만 이동하고 있다. 에딩턴이 말한 시간의 화살을 따라, 오직 한 방향으로, 언제나 같은 속도로 움직이고 있지 않은가? 그러니 자연스럽게 시간과 공간을 단절된 것으로 간주하게 되었다. 하지만 민코프스키는 시간과 공간이 연속적인 직물로 밀접하게 짜인 것처럼 우주 전체에 퍼져 있으며, 우주의 모든 사건이 일어나는 무대라고 생각했다. 그는 두 단어를 조합해 이를 ‘시공간’이라고 불렀다.

우리가 시공간이 구부러지고, 형성되고, 왜곡될 수 있음에 그 어느 때보다 확신을 갖게 된 것은 최근 발견된 이러한 눈부신 증거 덕분이다. 아인슈타인의 이론은 온갖 시험을 거침없이 통과했다. 공간과 시간은 서로 밀접하게 연결되어 있어 한쪽에 영향을 미치면 다른 쪽에도 영향을 준다. 공간이 구부러질 수 있다면 시간도 구부러질 수 있다. 공간뿐만 아니라 시간도 여행할 수 있을 것이라는 흥미로운 가능성의 문이 열리게 된다.