인간의 시계로부터 벗어난 무한한 시공간으로의 여행

≪모든 순간의 물리학≫, ≪보이는 세상은 실제가 아니다≫, ≪시간은 흐르지 않는다≫로 우리에게 잘 알려진 세계적인 이론 물리학자 카를로 로벨리가 또 한 번 시공간에 관한 매력적인 이야기로 찾아왔다. 카를로 로벨리의 저서 중 국내에서 네 번째로 번역 소개되는 이 책은 그가 대학생일 때 호기심을 가졌던 ‘양자중력’에 관한 이야기에서 시작된다. 20세기 과학혁명의 산물인 양자역학과 일반상대성이론은 시공간에 대한 우리의 관념을 근본적으로 바꾸어 놓았다. 하지만 서로 양립하기 어려울 정도로 세계관과 사고방식이 달랐고, 이들을 동시에 포괄하는 통합이론은 불가능해 보였다. 카를로 로벨리는 이 문제의 해결을 평생의 업으로 삼고, 끈이론을 대신할 새로운 루프양자중력이론을 수립하는 데 오랜 시간 공을 들였다. 양자중력이라는 도전의 길 위에서 다양한 학자들과의 만남, 새로운 물리학 이론을 만들어내는 산고의 과정을 겪으며, 그는 시공간에 관한 본질적인 질문들에 부딪쳤다. 우주는 결코 인간의 시계 속에 살지 않는다는 사실과 시공간에 대한 새로운 시각들을 찾아가면서, 그는 ‘시간 없이’ 우주를 이해할 수 있는 물리학의 대답을 구하게 된다. 과학을 향한 열정과 이 세계에 대한 매력적인 영감이 가득한 그의 물리학 여정을 함께 따라가보자.

프롤로그

제1장 막다른 길, 양자중력 앞에 서다
제2장 공간, 입자, 그리고 장
제3장 루프이론의 탄생
제4장 시간과 공간: 인간이 지닌 세계관의 기본 개념
제5장 블랙홀이라는 이상한 ‘시간펌프’
제6장 시공간은 존재하지 않는다
제7장 ‘모든 것의 최종이론’을 향해

에필로그

감수의 글

양자역학과 일반상대성이론은 큰 성공을 거두었고 끊임없는 실험을 통해 입증되었다. 그리고 이제는 견고하게 확립된 지식의 일부가 되었다. 두 이론은 전통 물리학이 지닌 개념적 기반을 각각 일관성 있게 바꾸었지만, 두 가지 모두를 포괄할 수 있는 개념적 틀은 아직 나오지 않았다. 그 결과, 중력이 양자효과를 나타내기 시작하는 10-33cm 미만의 영역에서 어떤 일이 일어날지 전혀 예측할 수 없다. 물론 이것은 매우 극단적인 규모이긴 하지만, 어쨌든 서술할 수는 있어야 한다. 우리의 세계는 양립 불가능한 두 이론을 모두 따를 수 없기 때문이다. 실제로 이 정도로 작은 규모에서 일어나는 현상은 자연에도 존재한다. 우주 대폭발 때에도 존재했을 것이며, 블랙홀 근처에도 존재하고 있다. 이런 현상들을 이해하려면 이 규모에서 어떤 일이 일어날지를 계산할 수 있어야 한다. 따라서 무슨 수를 써서라도 두 이론을 연결해야 하는 것이다. 바로 이 임무가 ‘양자중력’의 핵심 문제이다. pp.20-21이것은 분명 어려운 문제임이 틀림없다. 하지만 학부 마지막 해에, 나는 20대의 젊은 패기로 이 문제를 내 인생을 바칠 도전 과제로 삼기로 결심했다. 시간, 공간 등 기본적인 개념들을 연구할 수 있고 무엇보다 도저히 해결할 수 없는 문제처럼 보인다는 점이 내 마음을 사로잡았던 것이다. 당시 이탈리아에는 이 문제를 연구하는 사람이 거의 없었다. 교수님들도 ‘막다른 길이나 다름없다’, ‘일자리를 절대 찾을 수 없을 것이다’, ‘다른 주제를 연구해서 튼튼한 연구팀에 들어가라’는 등의 조언을 하며 나를 강하게 만류했다. 하지만 신중해야 한다는 어른들의 조언은 청춘의 즐거운 고집을 더욱 굳건하게 해줄 따름이었다. p.22인간은 각자의 생각에 매여 있으며 그 생각을 쉽사리 바꾸려 하지 않는다. 인간은 늘 자신이 모든 것을 알고 있다고 생각한다. 이러한 믿음을 무너뜨리는 새로운 아이디어들은 두려운 존재일 수밖에 없다. 생각해보면 밑에서 지구를 받치고 있는 존재는 없다는 주장이 그들에게는 얼마나 황당했겠는가? 그럼 지구는 왜 떨어지지 않는단 말인가? 실제로 아낙시만드로스에게도 당연히 이러한 질문이 돌아왔다. 하지만 우리는 그 답을 알고 있다. 왜냐하면 물체는 ‘아래’로 떨어지는 것이 아니라, ‘지구’를 향해 떨어지는 것이기 때문이다. 따라서 지구는 자기 스스로에게 향하는 것이 아닌 이상 그 어떤 방향으로도 떨어지지 않는다. 우리가 오늘날 가지고 있는 세상에 대한 이해를 기준으로 볼 때 아낙시만드로스의 주장이 옳다는 것을 한 번 더 확인할 수 있다. 하지만 그 당시에 이것은 당황스러운 주장이었다. 아낙시만드로스는 공간과 지구에 대한 개념, 그리고 물체를 떨어지게 하는 힘인 중력에 대한 인간의 관념적 틀을 완전히 다시 그렸다. pp. 87-88 일반상대성이론이 발표되기 10년 전, 아인슈타인은 시간과 공간이 분리된 각각의 개체라기보다는 한 개체의 두 측면에 가깝다는 사실을 깨달았고, 이 발견을 특수상대성이라는 이름으로 발표했다. 우리는 보통 두 가지 사건(예를 들어 ‘콜럼버스의 신대륙 발견’과 ‘존 레논 사망’)은 항상 시간 순으로 정렬될 수 있다고 생각한다. 한 사건이 ‘먼저’ 일어나고 다른 사건은 ‘나중에’ 일어난다고 보는 것이다. 우리는 시간이 보편적인 것이라고 생각한다. 그렇기 때문에 지구가 아닌 우주의 다른 어딘가에서 일어난 일에 대해서도 ‘정확히 어떤 시점’에 그 일이 일어났는지 묻는 질문이 의미가 있다고 여긴다. 하지만 사실 그러한 질문은 무의미하다. p.138충분히 멀리 떨어져 있는 두 장소에서 각각 다른 사건이 일어난 경우, 어떤 사건이 ‘먼저’ 일어났는지를 논하는 것은 대개 무의미하다. 예를 들어 안드로메다은하에서 무슨 일이 어떤 ‘시점’에 일어났는지를 묻는 것은 아무런 의미가 없다. 시간이 모든 곳에서 동일하게 흐르는 것이 아니기 때문이다. 우리에게는 우리의 시간이 있고, 안드로메다은하에는 안드로메다은하의 시간이 있다. 두 시간을 보편적인 방식으로 서로 연결할 수는 없다. p.141시간에 대해 생각할 때 우주의 일생에 맞춘 우주 시계가 존재하는 것처럼 여겨서는 안 된다는 것이다. 우주 속의 모든 물체는 각각의 고유한 시간을 가지고 있으므로, 시간에는 지역적인 조건이 있다고 봐야 한다. 마치 일기예보 같은 상황이다. 각 지역마다 다르게 나타나는 날씨처럼 시간도 그렇다는 것이다. 게다가 프랑스어의 ‘시간(temps)’이라는 단어에는 ‘날씨’라는 뜻도 존재한다.
한편 각기 다른 시간을 가진 물체들이 조우하거나 신호를 주고받을 때, 우리는 그 시간들이 서로 연결되는 방식을 명확하게 표현할 수도 있다. 이를 위해서는 수학적 서술을 통해 세상을 표현할 때 ‘시간’과 ‘공간’이라는 분리된 개념 대신 ‘시공간’이라는 개념을 사용해야 한다. 시공간이란 일종의 모든 시간과 모든 공간의 집합 같은 것이다. pp.142-143최근 기초물리학에서는 공간과 시간의 존재를 제외한 새로운 세계관이 정착되고 있다. 오래전 과학적 세계관에서 지구가 ‘우주의 중심’이라는 개념이 사라졌던 것처럼, 관용적인 공간과 시간의 개념 역시 기초물리학의 범위 안에서 ‘사라지게 될 것’이다. 그리고 물체들 간의 관계라는 개념이 그 자리를 대신할 것이다.
이것은 매우 급진적인 사고방식의 혁명이지만, 나는 우리가 방정식 안에 시간변수를 개입시키지 않고 다르게 세상을 이해하는 방법을 반드시 받아들여야 한다고 생각한다. p.153

‘진짜 세계’를 완성하기 위한
카를로 로벨리의 끝없는 물리학 여정20세기 과학혁명은 두 가지 중대한 사건으로 이루어져 있다. 바로 ‘양자역학’과 ‘일반상대성이론’. 두 이론 모두 실험을 통해 확인되었고, 현대 기술 발전의 많은 부분을 가능하게 만들었다. 하지만 두 이론이 세계를 서술하는 방식은 양립이 불가능하다. 마치 서로 존재하지 않는 것처럼 각각 수립되었다. 일반상대성이론 교수의 강의 내용은 옆 강의실에서 양자역학을 가르치는 동료 교수가 보기에 말도 안 되는 것일 테고, 그 반대의 경우도 마찬가지다.
우리의 세계는 양립 불가능한 두 이론을 모두 따를 수 없기에, 무슨 수를 써서라도 이 둘을 연결해야 했다. 이 임무가 바로 ‘양자중력’의 핵심 문제이다. 세계적인 이론 물리학자 카를로 로벨리는 20대 때 이 문제에 자신의 인생을 몽땅 받치기로 마음 먹었다. 시공간에 대한 근본적인 개념들을 연구할 수 있었고, 도저히 해결할 수 없어 보이는 문제가 그의 마음을 사로 잡았던 것이다.
당시 이탈리에서도 이 문제를 연구하는 사람이 거의 없었고, 교수들도 “막다른 길이나 다름없다.”며 카를로 로벨리의 도전을 만류했다. 하지만 그는 막다른 길로 떠나 그 길에서 공주를 만나고 보석을 구하게 된 ‘조반니노’의 우화를 떠올리며 그 길로 떠났다. 그리고 그는 말한다.
“나는 그 막다른 길에서, 공주와 수많은 보석들을 찾아냈다!”
시간과 공간이 없는 세계,
그곳에서 펼쳐지는 우주에 관한 새로운 이야기그렇게 카를로 로벨리는 이 문제의 해결을 평생의 업으로 삼고, 초끈이론을 대신할 새로운 ‘루프양자중력이론‘을 수립하는 데 오랜 시간 공을 들여왔다.
그 과정에서 물리학 이론의 토대가 되어온 기존의 공간과 시간 개념의 문제는 무엇인지, 이를 해결하는 데 왜 루프 개념이 필요한지, 루프가 무엇을 의미하는지, 루프이론이 추측하는 공간과 시간의 이미지는 무엇인지, 루프이론이 어떻게 중력의 양자효과를 설명하는지, 특히 초기 우주의 대폭발과 블랙홀 내부에서의 운동을 어떻게 설명하는지 등의 문제를 놓고, 이에 관심을 가진 물리학자와 수학자 그리고 철학자들과 진지한 만남과 토론을 계속 이어왔다. 이 책은 이러한 그의 여정을 소상히 담고 있다.
카를로 로벨리에 따르면, 우주에는 그동안 우리가 알고 있던 공간이나 시간이 존재하지 않는다. 공간은 알갱이화된 중력장들의 연결망이고, 시간은 사건과 사건 간의 관계일 뿐인 것이다. 이는 우리의 인식으로 쉽게 받아들여지기 힘들고, 여러 가지 강력한 궁금증이 생긴다.
정말 시간이 존재하지 않는다면, 우리가 살고 있는 이 세상과 우주를 어떻게 이해할 수 있을까? 우리가 인식하는 과거, 현재, 미래는 무엇으로 설명할 수 있을까? ‘이전’과 ‘이후’를 구분하는 것은 무슨 의미가 있을까? 지금 이순간에도 멈추지 않고 움직이는 시계 초침은 어디를 향하고 있을까?
이러한 시공간에 관한 본질적인 질문들을 시작으로 ‘시간 없이’ 우주를 이해할 수 있는 새로운 시각에 대한 물리학의 대답을 찾아나간다. 늘 그렇듯, 카를로 로벨리는 수식 없이 쉽고 명확하고 아름다운 문장들로 이 모험을 생동감 넘치게 그려내고 있다.