시간의 화살 > 별보기

열역학 법칙과 관련된 글입니다. 좋은 글입니다 조금 길지만
끝까지 읽어주십시요..
내용은 대충 이렇습니다. 엔트로피라는 법칙이 있는데 그 법칙때문에 시간이 흘러간다고 인식된는 것이고요. 미래로 시간이 흘러간다라는 말을 이해하게 합니다. 실제로 알지 못했던 것들을 쉽게 설명한 자료 입니다. 꼭 읽어주시고요. 모르는 말이나 글이 있다면 질문 부탁바랍니다. 우주에 관한 블랙홀도 좋고 웜홀도 좋으니 다른 자료를 원하시면
대답을 해주시던가 메일을 보내주세요. 성심성의껏 설명을 해 드리겠습니다.


Arrow of Time ( 시간의 화살 )


시간은 왜 흐른다고 인식되는 것인가 ?
과거와 미래의 차이는 도대체 어디에서 연유하는 것인가 ?
왜 우리는 과거는 기억하면서 미래는 기억하지 못하는 것인가 ?
왜 시간은 항상 미래로만 흐르는가? 아니 왜 미래로 흐른다고 느끼는 것인가 ?
시간은 정말로 흐르는 것인가 ?
시간이 흐름에 대한 인식은 선천적으로 타고난 것인가, 후천적 습득물인가 ?
시간이 거꾸로 가는 것은 불가능한가 ?
인간이외의 동물들도 시간이 흐른다는 느끼는가?
외계생명체가 있다면 그들도 시간이 흐른다고 느낄 것인가 ?

이런류의 질문에 답할 수 있는 사람은 아무도 없을 것이다.
다만 시간흐름에 대한 인식을 밝혀줄 만한 단서가 있기는 하다.


열역학적 시간의 화살


열과 역학에너지와의 관계를 바탕으로 열현상을 연구하는 분야를 열역학이라 부른다. 열역학에는
두 개의 법칙이 있다. 제1법칙은 흔히 말하는 '에너지 보존법칙' 이며, 제2법칙은 '엔트로피 증가
법칙' 이다. 이것은 열의 이동방향에 관한 법칙이다. 다시말하면 '열은 더운곳에서 차가운 곳으
로 일방적으로 흐른다' 라고 기술할 수 있다.
겨울에는 따뜻한 집안의 열이 추운 바깥으로 빠져 나간다. 열이 더운 곳에서 찬 곳으로 이동한
것이다. 물론 반대 방향으로 열을 흐르게 할 수는 있다. 그러나 이 경우에는 외부에서 강제로
일을 해야한 된다. 즉 열펌프를 작동해야만 된다. 뜨거운 벽돌을 차가운 벽돌과 접촉시키면 뜨
거운 벽돌이 차가운 벽돌에게 열을 빼앗겨 충분한 시간이 지나면 두 벽돌의 온도가 같아진다.
만약 뜨거운 벽돌이 차가운 벽돌로부터 열을 받는다면 뜨거운 벽돌은 더 뜨거워지고 차가운 벽
돌은 더 차게 될 것이다. 이 과정에서 이동한 열량은 같으므로 열역학 제1법칙에는 위배되지 않
지만, 열역학 제2법칙에 위배된다, 그러므로 결코 일어날 수 없는 현상이다.
열역학 제2법칙은 다른 의미로는 질서있는 에너지가 무질서한 에너지로 바뀌는 것을 뜻한다. 자
동차 엔진에서 기름의 일부는 자동차를 움직이고, 다른 일부는 엔진의 주위의 온도를 올리고, 나
머지는 배기가스로 방출된다. 이 배기가스로는 자동차를 움직일 수 없으므로 결국 쓸모 있던 에
너지가 쓸모 없는 에너지로 분산된 것이다. 따라서 열역학 제2법칙은 질서상태가 무질서상태로
바뀌는 것이라고도 말할 수 있다. 무질서의 정도를 나타내는 양을 엔트로피라고 하며 열역학 제2
법칙에 따라 엔트로피는 궁극적으로 증가한다. 그래서 '엔트로피 증가법칙' 이라고 하는 것이다.
엔트로피의 권위자인 모스크바 출신 화학자 일리야 프리고진은 엔트로피를 주제로 하여 열류, 전
류, 화학, 생물학, 나아가서는 사회현상에 까지 열역학의 사고방식을 적용시켜 나감으로서 '에너지
가 산일된다'는 개념을 도입하였다. '산일'이란 '여기저기로 흩어져서 없어져 버린다는 의미로 엔
트로피가 자꾸 커진다는 것이다.

태초에 우주의 창조행위는 혼돈(Chaos)으로부터 질서(Order)를 만들어 낸 것이기도 하다. 즉, 질
서란 극도의 낮은 엔트로피 상태로서 우주는 진화(?)하는 과정에서 질서에서 무질서에로의 일방통
행만을 계속하여 결국은 에너지는 산일된다. 우주의 에너지가 모두 산일된다 함은 '열적 평형상
태'가 되어 에너지의 이동이 있을 수 없는 '열적 죽음상태(熱死)' 에 이르게 된다는 뜻이다.
엔트로피의 개념을 좀 더 확장시켜 보자. 어떠한 물질이 규칙적인 형태를 하고 있으면 엔트로피
가 작고, 그것이 깨져서 산산조각(불규칙)으로 되면 엔트로피는 커진다. 농작물이 규칙적으로 심
어져 있는 상태는 엔트로피가 작고, 잡다한 초목이 뒤섞여 있으면 엔트로피는 크다고 말할 수 있
다.
트럼프 1만장을 모두 앞면을 향하여 넓은 땅에 깔았다고 하자. 이것은 매우 가지런한 경우이다.
이 상태의 엔트로피는 지극히 작다. 이 때 바람이 불어온다. 한 장만이 뒤집여지면 상태가 근소
하게 흐트러진다. 두 장이 뒤집히고, 석장이 뒤집히고 그리고 결국에는 거의 5,000장이 앞면,
5,000장은 뒤집어진 것으로 되는데 이것이 가장 엔트로피가 큰 상태가 된다. 그 이후는 아무리
바람이 불어도 앞면과 뒷면의 비율이 5 : 5 를 크게 벗어날 수 없다. 이것이 변화가 없는 평형상
태, 즉 죽음상태가 되는 것이다.
이제 조금 복잡한 형태의 엔트로피 증가현상에 대하여 관찰해보자, 주판은 여러 개의 철사 줄에
주판알이 꿰어져 있다. 이때 어떤 이가 계산을 하기 위하여 주판알을 움직였다고 하자. 따라서
주판알은 무질서 상태에서 질서상태로 이행한 결과가 된다. 즉 엔트로피가 감소한 결과가 되는
것이다. 그러나 그 주판알이 정확한 상태로의 이행을 위하여는 주판알을 옯기는데 필요한 사람의
에너지가 들어가고 그 에너지는 열의 형태로 발산하여 우주의 무질서를 증가시킨다. 증가된 무질
서는 주판알 자체의 질서의 증가보다 항상 크다. 컴퓨터의 냉각휀에서 뿜어내는 열은 컴퓨터가
메로리에 하나의 항목을 기록할 때마다 우주의 무질서의 총량을 증가시킨다는 것을 뜻하다.
이 글에 쓰여있는 모든 단어들을 기억한다면 여러분은 100만개의 정보를 기록했을 것이다. 따라
서 여러분의 두뇌 속의 질서도는 약 100만 단위만큼 증가했을 것이다. 그러나 여러분은 이 글을
읽는 과정에서 음식의 형태로 최소한 5,000칼로리의 질서 있는 에너지를 인체에서 소비하여 무질
서한 에너지로 전환시킨 후 땀으로 주변 공기속으로 열을 발생시켰을 것이다. 이 과정에서 여러
분의 뇌 속에서 증가한 질서보다 훨씬 더 많은 양의 무질서를 증가시킨 것이다.
엔트로피 증가법칙은 예외가 없다. 그러나 우연에 의하여 순간적으로 엔트로피가 감소하는 경우
가 있다. 5,000장의 카드가 앞면, 5,000장의 카드가 뒷면에 깔려있는 바닥에 바람이 불어 우연히
1만장 모두가 앞면이 나올 확률도 엄연히 존재하기 때문이다. 방안의 공기 분자가 우연한 충돌로
인하여 질소 분자만이 방안의 컵에 모일 수 있는 확률도 엄연히 있는 것이다.
물이 담겨있는 찻잔이 탁자 위에서 바닥에 떨어져서 산산조각이 나는 장면을 촬영했다고 하자.
그리고 그 필름을 거꾸로 돌려 보면 산산조각이 나있는 유리조각들이 한데 모여서 찻잔을 형성하
고 다시 탁자위로 얌전히 올라가는 모습을 관찰할 수 있을 것이다.
그 필름이 거꾸로 돌려진 것임을 어떻게 알 수 있을까? 그것은 일상생활에서 이런 식의 움직임
이 절대로 관찰될 수 없기 때문이다. 깨어진 찾잔이 다시 온전한 찻잔이 되면서 바닥에서 솟아올
라 탁자 위에 얌전히 올라않는 광경을 볼 수 없는 이유는 '열역학 제2법칙' 이 그런 일을 금지하
고 있으며, 인류가 발달시켜온 직관은 엔트로피가 증가하는 방향을 시간의 방향으로 느끼기 때문
이다.
만약 신이 우주를 높은 무질서도 상태로 창조하였다고 한다면 사람들은 시간이 갈수록 엔트로피
가 감소하는 세상에 살고 있고 그들은 거꾸로 된(순전히 우리입장에서) 심리적인 시간을 갖게 될
것이다. 즉 그들은 과거의 사건이 아니라 미래의 사건들을 기억할 것이다. 찻잔이 깨지면 그들
은 그 찻잔이 탁자 위에 놓여질 것을 기억할 것이다. 그러나 찻잔이 탁자 위에 있을 때 그들은
그 찻잔이 바닥에 떨여졌다는 사실은 기억하지 못할 것이다.


심리학 시간의 화살

인간의 신경은 일단 회로를 형성하고 나면 그 회로는 좀처럼 지워지지 않는다. 어린시절 익힌
수영, 자전거타기 등은 오랫동안 연습하지 않아도 금방 감각을 되찾을 수 있는 것은 그 때문이다.
이것은 전적으로 불가역적인 변화이다. 과거의 일은 기억으로서 두뇌에 남아있다. 그리고 미래
의 일은 알지 못한다. 이것은 인간의 생리도 물리적인 불가역현상에 고스란히 지배되고 있다는
것의 증거일 것이다. 시간의 방향에 대한 우리의 주관적인 느낌, 즉 심리적 시간의 화살은 열역
학적 시간의 화살에 의하여 우리의 뇌 속에서 결정되는 것이다.
인간만이 시간의 흐름을 인식하는 유일한 존재인 것 같지는 않다. 시간의 흐름에 대한 인식은
생명체가 생존하는 데 필요한 요소이기 때문이다. 다시말하면 생명체는 유기적인 움직임을 조절
하는 여러 가지 '생물시계(Boilogical Clock)' 가 필요하기 때문이다. 우리는 생쥐의 민첩함에 놀라
고, 하마의 무감각에 지루함을 느낀다. 그러나 그 동물들은 제각기 자신의 생물학적 시계에 적정
한 보조에 맞추어 살아가고 있는 것인지도 모른다.
여기에서 말하는 움직임의 속도에는 호흡, 맥박, 그리고 먹이의 신진대사등의 비율이 모두 포함
된다. 쥐는 2년밖에 살지 못한다. 2년이라는 수명을 할당받은 쥐에서 그 2년이 인간의 70년과
똑같이 느껴질까? 다시 말해서 심리학적 시간이 쥐와 인간에서 느끼는 서로 다른 속도로 째깍거
리는 것일까?
심리학자 스튜어트 엘버트는 시간에 대한 주관적인 인상은 두뇌활동의 속도에 대한 단순한 측정
치 이상임을 밝혔다. 그는 피실험자들을 작은 방에 가두어 놓고, 그 방에 실제보다 두 배 빠른
시계를 넣어두었다. 물론 그 사실은 피실험자에게는 알려주지 않았다. 그런데 그들은 시계의 빠
르기가 조작되었다는 사실을 알아차리지 못했다. 그리고 그들의 정신적인 기능은 시계의 속도에
적응했다. 그들의 기억력을 검사해 본 결과, 그들은 빠르게 조정된 만큼 기억력을 빨리 잃는다는
사실이 밝혀졌다. 이렇듯 우리의 기본적인 정신기능은 심리적 시계에 조절되는 것 같다.
시계의 '똑딱'거림을 살펴보자. 실제로 시계는 '똑딱' 거리지 않는다. 단지 '똑똑' 거릴 뿐이다.
그런데 우리의 의식은 두 번의 연속적인 '똑'을 한 차례의 '똑딱'으로 받아들여 '똑딱' 거린다고
느끼는 것이다. 그러나 이것도 두 차례의 '똑' 사이의 지속시간이 약 3초보다 쩗을 때에만 해당
된다. 2초에서 3초라는 시간은 우리 마음이 감각기관에 들어오는 데이터들을 하나의 단일한 경험
으로 인식하기 때문이다.
반면 사람은 급브페이크를 밟는 것처럼 짧은 시간에 반응을 할 수도 있다. 피아노를 연주하는
손가락은 '곡조' 라는 전체적인 개념에 맞추어 움직인다. 피아니스트는 손가락 하나하나에 개별
적으로 지시를 내리지는 않는다. 그러므로 우리가 무슨 일을 하고 있는가에 따라 각기 지속시간
이 다른 복수의 '현재' 가 존재하는 것이다. 우리는 순간순간 단일한 시간만을 감지하는 단일한
존재가 아니라 복잡하고 다층다면의 구조를 가진, 여러순간을 동시에 인식할 수 있는 영혼이라는
사실을 인정해야 한다.











우주론적 시간의 화살

우주론적 시간의 화살을 이해하려면 우주의 팽창이론을 먼저 살펴보아야 한다. 다른 은하의 별
들에게서 나오는 빛의 스텍트럼을 관찰하면 관찰자로부터 멀어지는 광원에서 나오는 빛의 스텍트
럼은 붉은색으로 편이된다. 그 반대의 경우의 스텍트럼은 청색으로 편이가 된다. 이는 광원이
다가오는 경우에는 파장이 짧아지며, 멀어지는 경우에는 파장이 길어지는 '도플러 효과' 때문이다.
19세기 초 사람들은 우주의 은하가 임의적으로 움직이기 때문에, 그 빛의 스펙트럼을 관찰하면
적색편이되는 스펙트럼과 청색편이 되는 스펙트럼을 비슷하게 발견하리라고 생각했다. 그런데 허
블이 여러 은하에서 빛의 스텍트럼을 분석하였을 때 놀랍게도 모든 은하에나 나오는 빛의 스펙트
럼이 모두 적색으로 편이되어 있음을 발견했다. 즉 모든 은하가 지구로부터 멀어지고 있는 것이
다. 더욱 놀라운 것은 적색편이의 크기가 지구와의 거리에 비례한다는 것이다. 다시 말해서 은
하가 더 멀리 떨어져 있을수록 우리로부터 빠른 속도로 멀어진다는 것이다. 그것은 우주가 정적
인 것은 아니며, 실제로는 팽창하고 있음을 알 수 있었다.
그렇다면 최초의 우주의 모습은 어떠하겠는가? 모든 은하는 한 점에 모여 있었을 것임을 추측
할 수 있다. 이 한 점은 아무것도 없는 무에서부터 출발하였다는 것이 '빅뱅이론' 이다.(아무것도
없다는 것은 불교에서 말하는 공(空)의 개념에 가깝다) 빅뱅이란 최초에 한 점으로 있던 것이
어떤 힘에 의하여 폭팔 팽창애 나갔다는 이론이다. '빅뱅이론'은 카톨릭에서는 창조주의 우주창
조행위로 해석하기도 한다.


우리는 팽창하는 우주의 운명을 다음 세가지 모델로 추측할 수 있다.

첫째, 우주는 팽창을 계속하다가 정점에 이르면 다시 수축한다.


우주의 물질들은 중력에 의하여 인력작용이 일어나고 있으므로 팽창에너지는 결국 인력을 못이
겨서 다시 재수축한다는 것이다. 빅뱅이론은 지우개를 매달은 고무즐의 끝을 잡고 지우개를 던졌
을 때로 비유할 수 있다. 이 경우 고무즐의 탄력작용을 인력으로 보고, 지우개를 던진 힘은 폭팔
에 의한 팽창에너지로 볼 수 있다. 재수축이란 지우개가 날아가다가 결국 고무줄의 탄력으로 인
하여 다시 되돌아오는 경우이다.

둘째, 우주는 팽창을 계속하여 그 크기가 무한대가 된다.

이는 지우개를 던진 힘(팽창에너지)이 너무 커서 결국 고무즐이 끊어지고 지우개는 계속하여 날
아가는 경우에 해당된다.

셋째, 우주가 팽창을 계속하다가 결국은 그 자리에서 멈춘다.

이는 날아가는 지우개의 에너지가 고무줄이 끊어질 만큼의 에너지를 가질 때의 경우이다. 이 경
우 고무줄은 끊어지고 지우개는 그 자리에서 멈춘다.





이 세가지 모델중 우주의 운명이 어떻게 결정될 수 있는지는 우주의 밀도를 보면 알 수 있다. 왜
냐하면 우주의 밀도는 인력과 관계가 있기 때문이다. 현재까지 관측된 우주내의 물질은 그 밀도
는 낮아 우주는 계속적인 팽창을 할 수도 있다고 한다. 인간의 인식능력을 넘어서는 '무한' 개념
믄 우리에게 공포심을 야기한다. 그래서 많은 사람들은우주의 밀도를 높일 수 있는 보이지 않는
물질을 찾아내고자 많은 노력을 하고 있다.
만약 우주가 팽창을 계속하다가 다시 수측국면에 들어가면 시간은 어떤 현상이 벌어질까? 1985
년 스티븐 호킹은 우주가 팽창하다가 수축국면에 들어서면 시간은 역전된다고 주장했다. 우주론
적 시간방향은 우주의 팽창 및 수축국면에 따른 시간방향이고, 열역학적 시간은 심라학적 시간방
향과 동일하다. 호킹박사는 우주가 수측국면에 들어서면 우주시간도 열역학적 시간과 함께 역전
된다고 생각했다.
우주시간, 열역학적 시간, 심리학적 시간이 역전된다 함은 우엇을 똣하는가? 앞에서 보았듯이
심리적 시간의 방향은 질서로부터 혼돈으로 엔트로피가 작은 것에서부터 큰 것으로 향할 때와 일
치하고 있다. 그것은 의식의 시간이 역행한다는 것은 엔트로피 증대의 법칙을 역행하는 것이다.
하지만 이때 의식을 가진 생물이 있어서 수축하는 우주를 본다면 우주는 팽창하고 있는 것처럼
보일 것이다. 왜냐하면 그의 의식의 시간은 역행하고 있으니까 하는 것이 호킹의 설이다.
의식의 시간이 역행하는 세계에 사는 생물이란 도대체 어떤 것일까? 우리가 우주바깥에 있어서
그 생물을 관찰한다면 다음과 같은 광경을 보게 될 것이다.
그(라고 해두자)의 송장은 무덤에서 빠져 나와 죽음으로부터 소생한다. 맨 처음 그는 나이를 먹
고 있었으나 이윽고 청년이 되고, 세월이 흐르면(?) 아기기 된다. 노인인 그의 두뇌에는 처음부터
경험과 학습성과가 꽉 차 있고 이것이 그가 젊어짐에 따라 서서히 상실되어 간다. '세월이 흐름
이 빠르구나'하는 감개도 자기 머리 속에 남아 있는 기억이 적어지는 것에 따라 한층 깊어진다.
하지만 우리가 이해하고 있는 것과 같은 '의식' 은 시간이 역행하는 세계에는 존재할 수 없는 것
이 아닐까? 사물을 기억하고, 기억을 축적하여 신경세포의 네트위크가 차츰 형성되어 간다. 이것
이 심리적 시간의 방향이라고 할 것이며, 이것을 역행하는 뇌의 활동이라는 것은 좀 생각하기 어
렵다.
수학자인 로저 펜로스는 그것과는 다른 설을 세우고 있다. 우주가 수축국면에 들어가더라도 열
역학적 시간과 심리적 시간은 역전되지 않는다. 그리고 호킹박사는 그의 저서 '시간의 역사' 에
서 자신의 주장이 잘못되었음을 시인하였다. 즉, 우주가 수축국면으로 들어가더라도 시간역전현
상을 일어나지 않는다는 사실을 인정했다.