시간이 무엇인지 정확히 정의할 수 있는 사람은 아무도 없습니다. 물리학자들조차 시간의 본질을 명확히 설명하지 못하고 "시간은 이렇게 측정합니다"라는 우회적 답변으로 질문을 비껴갑니다. 저 역시 영화 '인터스텔라'를 보면서 시간여행에 대한 환상을 품었지만, 과학적 사실을 들여다보니 생각보다 복잡하고 제약이 많았습니다. 특히 과거로 돌아가는 것이 물리 법칙상 불가능하다는 사실을 알았을 때는 솔직히 실망스러웠습니다.
과거로 가는 시간여행이 불가능한 이유
시간의 화살(arrow of time)이라는 개념은 시간이 한 방향으로만 흐른다는 물리학의 기본 원리입니다. 활을 쏘면 화살이 앞으로만 나아가지 뒤로 돌아오지 않는 것처럼, 시간도 과거에서 미래로만 진행됩니다. 여기서 시간의 화살이란 시간의 비가역성을 나타내는 표현으로, 엔트로피 증가의 법칙과 밀접하게 연결되어 있습니다.
엔트로피(entropy)는 무질서도를 나타내는 물리량입니다. 쉽게 말해 시스템이 얼마나 흐트러져 있는지를 수치로 표현한 것입니다. 물 한 잔에 잉크 한 방울을 떨어뜨리면 잉크가 점점 퍼지면서 물 전체가 옅은 색으로 변합니다. 하지만 그 과정이 저절로 역행해서 잉크가 다시 한 방울로 뭉치는 일은 절대 일어나지 않습니다(출처: 서울대학교 물리천문학부).
제가 대학 시절 열역학 수업을 들을 때 교수님께서 강조하셨던 부분이 바로 이 엔트로피 증가의 법칙이었습니다. 1854년 정립된 이 법칙의 반례는 아직까지 단 한 번도 발견되지 않았다는 점이 인상적이었습니다. 과거로 가려면 엔트로피가 감소해야 하는데, 이는 우주의 근본 법칙을 거스르는 일입니다.
인과율(causality) 문제도 과거 여행을 막는 결정적 장벽입니다. 인과율이란 원인이 먼저 발생하고 그 다음에 결과가 나타나야 한다는 논리적 순서를 의미합니다. 영화 '백 투 더 퓨처'처럼 과거로 가서 부모님의 만남을 방해하면 자신의 존재 자체가 사라지는 모순이 발생합니다. 물리학자들은 이런 인과율 모순을 절대 용납하지 않습니다.
미래로 가는 시간여행은 이론상 가능하다
과거로는 갈 수 없지만 미래로 가는 것은 상대성이론(theory of relativity)에 따라 실제로 가능합니다. 상대성이론이란 아인슈타인이 제시한 이론으로, 빠르게 움직이거나 강한 중력장에 있을 때 시간이 느리게 흐른다는 내용입니다. 빛의 속도로 움직이는 물체는 정지한 관찰자에 비해 시간이 극도로 느리게 갑니다.
실제로 비행기 조종사들은 지상에 있는 사람들보다 미세하게나마 더 느린 시간을 경험합니다. 평생 시속 1,000km로 비행만 한다면 약 1초 정도 젊어지는 효과가 있습니다. 이 정도 차이는 현대의 정밀 원자시계로 측정 가능한 수준입니다(출처: 한국천문연구원).
중력 차이에 따른 시간 지연 효과도 실제로 존재합니다. 아파트 저층에 사는 사람과 고층에 사는 사람은 경험하는 시간이 다릅니다. 고층에 사는 사람이 저층보다 시간이 미세하게 빠르게 흐릅니다. 이 차이는 수십 나노초 수준이지만 GPS 위성 시스템에서는 반드시 보정해야 하는 오차입니다.
영화 '인터스텔라'에 나오는 밀러 행성의 시간 왜곡은 과장되었지만 원리는 정확합니다. 블랙홀 근처의 강한 중력장에서는 시간이 극도로 느리게 흐릅니다. 밀러 행성에서 1시간이 지구의 7년과 같다는 설정은 일반상대성이론(general theory of relativity)의 시간 지연 효과를 극단적으로 보여준 것입니다. 여기서 일반상대성이론이란 중력을 시공간의 휘어짐으로 설명하는 이론으로, 질량이 클수록 주변 시공간이 왜곡되어 시간이 느리게 흐릅니다.
제가 이 영화를 처음 봤을 때는 단순히 SF 설정이라고 생각했는데, 실제로 물리학적 근거가 탄탄하다는 걸 알고 나서 다시 보니 감동이 배가 되었습니다.
생명체가 경험하는 시간은 뇌가 만든 착각이다
물리적 시간과 별개로 우리가 실제로 느끼는 시간은 뇌에서 재구성한 주관적 경험입니다. 생체시계(biological clock)는 우리 몸이 자체적으로 가지고 있는 시간 측정 시스템입니다. 초파리 실험에서 발견된 피리어드(Period) 유전자는 24시간 주기로 발현과 소멸을 반복하며 생체 리듬을 조절합니다.
죽음 직전 주마등처럼 시간이 느리게 흐르는 현상은 다이메틸트립타민(DMT)이라는 신경전달물질 때문입니다. DMT란 송과체에서 분비되는 화학물질로, 평소에는 소량 분비되지만 심장이 멎기 직전 분비량이 급증하여 시간 인지를 왜곡시킵니다. 이 물질의 작용으로 실제로는 몇 초밖에 안 되는 순간이 몇 시간처럼 느껴질 수 있습니다.
저는 낮잠을 자다가 10분 만에 깼는데 블록퍼스터 꿈을 꾼 경험이 여러 번 있습니다. 뇌가 시간을 압축해서 경험을 재구성한 것입니다. 새로운 경험을 많이 할수록 시간이 길게 느껴지는 이유도 같은 맥락입니다. 어릴 때 시간이 느리게 가는 것처럼 느껴지는 이유는 모든 것이 처음이라 뇌가 처리할 정보량이 많기 때문입니다.
시간 인지와 관련된 주요 요인은 다음과 같습니다:
- 신경전달물질 분비량에 따른 시간 감각 변화
- 새로운 경험의 양과 시간 인식의 상관관계
- 생체시계 유전자의 발현 주기
- 감각 정보 처리 속도와 주관적 시간 흐름
시간이 무엇인지 명확히 정의할 수는 없지만, 시간이 한 방향으로만 흐른다는 것과 물리적 조건에 따라 그 흐름의 속도가 달라진다는 것은 확실합니다. 저는 과거를 바꿀 수 없다는 사실이 처음에는 아쉬웠지만, 오히려 그래서 현재에 더 충실할 수 있다고 생각하게 되었습니다. 미래를 미리 알 수 없기에 매 순간이 의미 있고, 돌이킬 수 없기에 지금 이 순간이 소중합니다. 시간을 완벽히 지배할 수는 없지만, 주어진 시간을 어떻게 경험하고 기억할지는 우리가 선택할 수 있습니다.
참고: [Full] 취미는 과학 - 2화 시간, 왜 되돌릴 수 없나?ㅣ아무도 본 적 없는 시간, ''시간이란 대체 뭘까?'' /EBS 컬렉션 - 사이언스: