아이슈타인이 3차원의 세계에 하나의 차원이 더 연결되어 있다고 한 이것의 정체

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3차원 공간

우리는 3차원 공간에 살고 있습니다. 1차원엔 선이 있고 2차원엔 면이 있고 3차원에는 우리가 사는 입체적인 공간이 있습니다. 우리는 이 3차원 공간에 살고 있다는 말이 사실일까요?

아인슈타인은 우리가 살고 있는 3차원 공간에 하나의 차원이 더 연결되어 있다는 것을 발견했습니다. 그것은 바로 과거, 현재, 미래를 구분하는 시간입니다. 우리는 친구들과 약속을 정할 때, 장소만을 이야기하지 않습니다. 만날 장소를 정하고 나면 꼭 언제 만날지 시간을 정해야 합니다. “강남역에서 6시에 만나!” 강남역이라는 공간 뒤에, 6시라는 시간을 꼭 붙여야 합니다. 장소만 정하고 시간을 정하지 않으면 약속은 완성된 것이 아니고, 사람들은 서로를 만나지 못합니다. 우리는 이렇게 공간과 시간이 합쳐진 시공간에 살고 있습니다.

그런데 왜 사람들은 시간이라는 4번째 차원을 떠올리지 못하고 3차원 공간에 살고 있다고 생각할까요? 그 이유는 바로 우리의 눈이 3차원까지밖에 보지 못하기 때문입니다. 4차원에 존재하는 어떤 신비한 존재가 3차원만 보는 우리에게 4차원 세계를 설명해 준다면 어떻게 설명해 줄 수 있을까요? 3차원적 공간을 이어서 한 번에 보여주면 되지 않을까요? 그러나 인간은 3차원까지밖에 보지 못합니다. 그래서 우리는 ‘지금’이라는 주관적인 관점 아래 평상시에는 이런 4차원 시공간을 볼 수 없습니다. 1차원의 파란 점과 2차원의 동그라미가 우리에게는 보이는 그들의 시공간을 보지 못하는 것처럼 말입니다. 3차원에 사는 우리는 ‘시간이 흘러’ 변화하는 4차원의 한 부분밖에 보지 못합니다.

시간은 환상이다.

시간은 시간이 아닙니다. 시간이란 계속해서 변화하는 순간순간을 이해하기 위해 우리가 만들어낸 환상입니다. 우리는 공간과 시간을 따로 분리하여 생각하지만 1차원에서 시간이 흘러 2차원 면이 되고 2차원에서 시간이 흘러 3차원 공간이 되듯이 시간이란 공간과 같은 하나의 차원입니다. 그리고 우리는 3차원에서 시간이 흘러 4차원을 만드는 다시 말해 3차원 공간이 또 다른 3차원 공간을 만나 4차원 시공간을 만드는 4차원 세계에 살고 있습니다.

우리들이 사는 3차원 공간에서 시간이 흘러가는 것이 아니라 3차원 공간이 그다음 3차원 공간으로 계속해서 넘어가는 것입니다. 비록 우리는 3차원까지 밖에 보지 못하고, 시간이라는 4번째 차원을 보지 못하지만, 모든 것은 이미 다 있습니다. 3차원 공간까지 인지할 수 있는 우리는 우주 끝까지 3차원 공간이 이미 다 펼쳐져 있다는 사실을 상상하는 데는 큰 어려움을 겪지 않습니다. 그러나 시간이라는 것이 이미 모두 다 펼쳐져 있다는 사실은 정말 상상하기 힘들지만 모든 것은 이미 다 있습니다.

물리학에서는 어떠한 공식도 시간의 흐름을 나타내는 것은 없습니다. 그저 시공간이라는 거대한 덩어리 속 순간순간만을 나타내는 공식만 존재할 뿐 한순간에서 그다음 순간으로 시간이 ‘흘러간다’라는 것을 나타내는 공식은 존재하지 않습니다. 우리는 지나온 시간을 과거라고 일컫고, 다가올 시간을 미래라고 일컬으며 현재 또는 지금이라는 말도 사용하지만, 이것은 3차원 이상을 보지 못하는 우리가 계속 변화하는 세상을 해석하기 위해 만들어낸 환상에 불과합니다. 시간이란 흐르는 것이 아닙니다.

시간과 공간의 연관성

처음으로 시간과 공간의 연관성을 발견한 사람은 아인슈타인이었습니다. 1905년 아인슈타인은 특수상대성이론을 통해 시간은 절대적인 것이 아니라 움직이는 속도에 따라 변화한다는 것을 발견했습니다. 그리고 독일의 수학자 헤르만 민코프스키가 아인슈타인의 이론을 수학적으로 계산해 시간과 공간은 서로 분리되어 있는 것이 아니라 시간과 공간이 합쳐져 4차원의 시공간을 이룬다는 것을 발견했습니다. 시간과 공간이 하나의 시공간을 이룬다는 것이 처음으로 밝혀진 대대적인 순간이었습니다. 그리고 이 사실을 이해한 아인슈타인은 일반상대성이론을 발전시킬 수 있었고 드디어 중력의 비밀을 밝힐 수 있게 되었습니다.

시간의 왜곡

출처 – ‘1분과학’ YouTube

특수상대성이론에서 아인슈타인이 설명한 시간차는 이렇게 만들어집니다. 움직이지 않는 기차 안에서 양방향으로 발사한 빛을 기차 밖에서 바라보면 빛은 동시에 양쪽 반사대에 도달합니다. 하지만 기차가 오른쪽 방향으로 빠르게 달리고 있다고 가정할 때 동시에 양쪽으로 발사된 빛은 왼쪽 반사대에 먼저 도달하고 오른쪽 반사대에 늦게 도달하며 시간차를 발생시킵니다. 빛의 속도는 우주 어디에서나 항상 일정하기 때문에 나타나는 현상입니다.

그렇다면 커다란 질량의 행성이 시공간을 늘어뜨리면 어떻게 될까요? 시공간의 면 위에 지구가 이렇게 올려 있습니다. 지구의 질량은 시공간을 눌러 시공간에 곡면을 만듭니다. 빛의 속도는 항상 일정하지만 시공간이 느려져 버려 빛이 이동할 때 걸리는 시간이 지구가 없을 때 걸렸던 시간보다 더 오래 걸리게 됩니다.
시간차가 발생하는 것입니다.

변화하는 시공간

우리는 빛을 통해 세상을 보고 빛은 언제나 같은 속도로 유지합니다. 변하는 것은 시공간입니다. 이 시간차는 현실에서도 관측할 수 있습니다. 지구 밖에서 지구를 공전하고 있는 인공위성은 지구가 왜곡한 시공간의 곡면에서 조금 더 떨어져 있기 때문에 인공위성에 있는 시계는 지구에 있는 시계보다 더 빠르게 흐릅니다. 아주 미세한 차이지만 지구의 수많은 전자 기기와 연결되어 있는 인공위성은 시간이 조금만 달라져도 큰 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 주기적으로 지구에서 인공위성의 시계를 조정해 줍니다.

반대로 시공간의 늘어짐이 가장 심한 지구의 중심부는 지구의 표면보다 시간이 느리게 흐릅니다. 그 결과 지구의 핵부분은 우리가 발을 디디고 있는 지구 표면보다 2.5년이 더 젊습니다. 그리고 지구보다 훨씬 큰 질량을 가진 태양의 심장부는 태양의 겉 부분보다 무려 4만년이나 어리다고 합니다. 이렇게 우주 전면에 걸쳐 시간이 흐르는 속도는 달라집니다. 미래에 우주여행이 자유로워지는 날이 오면 우리는 우주에서 약속 시간을 어떻게 정해야 할까요?

과거, 현재, 미래는
이미 존재한다

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