시간은 왜 거꾸로 가는 것이 아니라 앞으로 가는가?

시간의 화살은 빅뱅에서 여행을 시작했으며 우주가 결국 죽으면 더 이상 미래도 과거도 없을 것입니다. 한편, 시간을 계속 앞으로 나아가게 하는 것은 무엇일까요?

아이작 뉴턴이 1687년에 그의 유명한 프린키피아 를 출판했을 때, 그의 세 가지 우아한 운동 법칙은 많은 문제를 해결했습니다. 그들이 없었다면 우리는 282년 후 달에 사람을 착륙시킬 수 없었을 것입니다. 그러나 이러한 법칙은 물리학에 새로운 문제를 가져왔는데, 이는 뉴턴 이후 수세기까지 완전히 이해되지 않았고 오늘날에도 여전히 우주론자들에게 잔소리를 듣습니다.

문제는 뉴턴의 법칙이 우리가 예상하는 것보다 두 배 정도 잘 작동한다는 것입니다. 그것들은 우리가 매일 통과하는 세상, 즉 사람의 세계, 시계 주위를 움직이는 바늘, 심지어 특정 사과가 갑자기 떨어지는 것까지 묘사 하지만 사람들이 거꾸로 걷고 시계가 오후에 똑딱 돌아가는 세상을 완벽하게 설명합니다. 아침이 되고 열매는 땅에서 그 가지까지 치솟습니다.

이론 물리학자이자 철학자인 Sean Carroll은 자신의 최근 저서에서 시간의 본성을 논의하는 "뉴턴의 법칙의 흥미로운 특징은 훨씬 나중에까지 인식되지 않았지만 과거와 미래를 구분하지 않는다는 것입니다."라고 말했습니다. 책 The Biggest Ideas in the Universe . "하지만 시간에 대한 방향성이 가장 분명한 특징이죠? 과거 사진은 있는데 미래 사진은 없어요."

문제는 수세기 전의 뉴턴 이론에만 국한되지 않습니다. 그 이후로 거의 모든 물리학의 초석이 된 이론은 시간 을 거슬러 올라가도 잘 작동했다고 프랑스 마르세유에 있는 이론 물리학 센터의 물리학자 Carlo Rovelli는 말합니다 .

"뉴턴에서 시작하여 맥스웰의 전자기 이론 , 아인슈타인의 연구, 그 다음 양자 역학, 양자장 이론, 일반 상대성 이론, 심지어 양자 중력까지 - 과거와 미래의 구분이 없습니다."라고 Rovelli는 말합니다. "놀랍게도 그 차이는 우리 모두에게 너무나 분명했기 때문입니다. 영화를 만들면 어느 쪽이 미래이고 어느 쪽이 과거인지 분명합니다."

모두 고유한 시간 화살표가 없는 이러한 우주 설명에서 시간의 명확한 방향이 어떻게 나타납니까? 리스본 대학의 천체 물리학자인 마리나 코르테스(Marina Cortês)는 다음과 같이 말했습니다.

시간은 우리의 직관을 무시하는 방식으로 움직입니다.  가장 작은 규모에는 의미 있는 "미래"와 "과거"가 없습니다(Credit: Edouard Taufenbach 제공 갤러리 C)

그 해답의 일부는 거의 140억 년 전 빅뱅 에 있습니다 . 또 다른 통찰력은 우주의 궁극적인 죽음 이라는 반대 극단에서 나옵니다 .

그러나 우주의 타임라인을 따라 왔다갔다하는 이 장대한 여행을 시작하기 전에 진정한 시간 방향 물리학 법칙이 산업 혁명의 궤도를 돌진했던 1865년에 멈출 가치가 있습니다.

 

모이는 증기

19세기에 석탄을 용광로에 넣어 증기 동력을 생성했을 때 더 나은 엔진을 개발하고자 하는 과학자와 엔지니어는 열, 에너지 및 운동 사이의 관계를 설명하는 일련의 원칙을 수용했습니다. 그들은 열역학 법칙으로 알려지게 되었습니다.

1865년 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스(Rudolf Clausius )는 주위에 다른 변화가 없다면 열이 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 전달될 수 없다고 말했습니다 . 클라우지우스는 이러한 열의 거동을 측정하기 위해 "엔트로피"라는 개념을 제시했습니다. 열이 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 절대 흐르지 않는다는 또 다른 방법은 "엔트로피는 항상 증가할 뿐 감소하지 않습니다"라고 말하는 것입니다( 엔트로피 및 무질서의 상승 ).

Rovelli 가 시간의 질서에서 강조 했듯이 , 이것은 과거와 미래를 구별할 수 있는 유일한 물리학의 기본 법칙입니다. 공은 언덕 아래로 굴러 떨어지거나 정상으로 다시 올라갈 수 있지만 열은 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 흐를 수 없습니다.

예를 들어 Rovelli는 펜을 들고 한 손에서 다른 손으로 떨어뜨립니다. "이것이 내 손에서 멈추는 이유는 약간의 에너지가 있기 때문입니다. 그러면 에너지가 열로 바뀌고 손이 따뜻해집니다. 마찰이 튀는 것을 멈춥니다. 그렇지 않으면 열이 없으면 영원히 튕길 것입니다. 그리고 나는 과거와 미래를 구별하지 않을 것입니다."

지금까지는 너무 간단합니다. 즉, 분자 수준에서 열이 무엇인지 고려하기 시작할 때까지입니다. 뜨거운 것과 차가운 것의 차이점은 분자가 얼마나 흔들리는가입니다. 뜨거운 증기 기관에서 물 분자는 매우 흥분되어 주위를 돌며 빠르게 서로 충돌합니다. 동일한 물 분자가 유리창에 응축으로 합쳐질 때 덜 흔들립니다.

여기 문제가 있습니다. 예를 들어 한 물 분자가 다른 물 분자와 충돌하고 튀는 수준으로 확대하면 시간의 화살표가 사라집니다. 그 충돌의 미세한 비디오를 본 다음 되감으면 어느 쪽이 앞으로 가고 어느 쪽이 뒤로 가는지 명확하지 않을 것입니다. 가장 작은 규모에서 열을 생성하는 현상(분자 충돌)은 시간 대칭입니다.

즉, 과거에서 미래로의 시간 화살표는 미시적 세계에서 거시적 세계로 한 발짝 물러날 때만 나타납니다.

"따라서 시간의 방향은 우리가 큰 것을 보고 세부 사항을 보지 않는다는 사실에서 비롯됩니다."라고 Rovelli는 말합니다. "이 단계에서 세계에 대한 근본적인 미시적 시각에서 거시적 세계에 대한 대략적인 묘사에 이르기까지, 여기에 시간의 방향이 들어옵니다.

Rovelli는 "세계가 근본적으로 공간과 시간을 지향한다는 것은 아닙니다. 주위를 둘러보면 중간 크기의 일상적인 것들이 더 많은 엔트로피를 갖는 방향이 보입니다. 나무에서 떨어진 익은 사과, 뒤섞인 카드 팩입니다.

엔트로피는 시간의 화살과 떼려야 뗄 수 없는 관계인 것처럼 보이지만, 시간의 강한 방향성을 내포하고 있는 하나의 물리학 법칙이 아주 작게 보면 이 방향성을 잃는다는 것이 약간 놀랍고 당혹스러울 수도 있습니다. 것들.

시간이 왜 항상 앞으로만 가는가에 대한 질문은 우리를 놀랍도록 빠르게 우주 자체의 기원으로 이끕니다(제공: Edouard Taufenbach, Gallery C 제공)

"엔트로피란 무엇인가?" 로벨리는 말합니다. "엔트로피는 단순히 우리가 미세물리학을 얼마나 잊고 있는지, 분자에 대해 얼마나 잊고 있는지입니다."

시작과 끝

시간의 화살이 있다면 애초 어디에서 왔을까?

Carroll은 "대답은 우주의 시작에 포함되어 있습니다."라고 말합니다. "대답은 빅뱅의 엔트로피가 낮았기 때문입니다. 그리고 140억 년이 지난 지금도 우리는 빅뱅 근처에서 시작된 쓰나미의 여파로 헤엄치고 있습니다. 그래서 시간이 우리에게 방향을 제시합니다."

빅뱅에서 우주의 비정상적으로 낮은 엔트로피는 해답이자 엄청난 질문입니다. Carroll은 " 시간의 본질에 대해 우리가 가장 적게 이해하는 것은 빅뱅의 엔트로피가 낮은 이유와 초기 우주의 엔트로피가 그와 같은 이유"라고 말합니다 . "솔직히 저는 일하는 우주론자로서 동료 우주론자들이 이 문제에 공을 던졌다고 생각합니다. 그들은 그 문제를 충분히 심각하게 받아들이지 않습니다."

Carroll은 동료 Jennifer Chen과 함께 2004년에 논문을 발표했는데, 이 논문에서 그들은 우주가 빅뱅에 가까운 엔트로피를 가지고 있는 이유를 단순히 가정하거나 받아들이는 것이 아니라 설명하는 것을 목표로 했습니다. Carroll은 "이론에는 많은 허점이 있고 완전히 구워지지 않은 측면도 많습니다. 그러나 나는 그것이 시장에서 단연코 최고의 이론이라고 생각합니다."라고 말합니다. "속이지 않습니다."

다른 우주론자들은 우주의 낮은 엔트로피 기원이라는 이 문제에 대해 진지하게 생각해야 할 때라는 데 동의합니다. Cortês는 "현재 우주가 이런 종류의 초기 조건을 가질 가능성은 다른 종류가 아닌 10분의 1에서 10분의 1에서 124분의 1(1:10^10^124)입니다."라고 말합니다. (또 다른 표현은 그 사건이 0.00…01의 확률을 가졌다는 것입니다. 120개의 0이 생략되었습니다.) "내 말은, 이것은 철학이나 수학을 제외하고 현대 물리학에서 가장 큰 숫자라고 안전하게 말할 수 있다는 것입니다."

Cortês는 가능성이 낮은 엔트로피 기원을 주어진 것으로 간주하는 것은 "문제를 깔아뭉개는" 훌륭한 사례라고 말합니다. "물리학자들이 계속 이 일을 한다면, 잠시 후 그것은 양탄자 아래에 매우 큰 더미가 될 것입니다. 시간이 앞으로만 가는 이유를 설명하는 것은 우리 우주론자들에게 맡겨져 있습니다."

우주는 가장 이해할 수 없을 정도로 있을 법하지 않은 형성으로 시작되었으며 그 이후로 그 상태에서 "하락"하고 있습니다(Credit: Edouard Taufenbach 제공 갤러리 C)

우리가 아직 그 이유를 알지 못하더라도, 우주의 낮은 엔트로피 과거는 시간 화살의 그럴듯한 원천입니다. 시작이 있는 대부분의 것들과 마찬가지로 화살에도 끝이 있습니다. 이것을 처음 발견한 사람은 다시 한 번 오스트리아 물리학자 루트비히 볼츠만이었습니다.

"Boltzmann은 '아, 엔트로피는 우주에서 성장하고 있으며 아마도 어느 시점에서 최대가 될 것입니다'라고 생각했습니다."라고 Rovelli는 말합니다. 그 시점에서 열은 우주 전체에 고르게 분포되어 더 이상 한 곳에서 다른 곳으로 흐르지 않을 것입니다.

일을 하는 데 유용한 형태로 사용할 수 있는 에너지가 없을 것입니다. 다시 말해서 전체 우주에서 흥미로운 일이 거의 일어나지 않을 것입니다. 천체 물리학자 케이티 맥(Katie Mack ) 은 "그 과정이 계속됨에 따라 모든 것이 너무 많이 쇠퇴하고 있기 때문에 남은 것은 우주에 존재했던 모든 것의 폐열뿐입니다."라고 설명합니다. 이 운명은 우주의 열적 죽음 또는 열적 죽음으로 알려져 있습니다.

"별이 타는 것을 멈추고 더 이상 아무 일도 일어나지 않을 것입니다. 작은 열 변동 외에는 아무것도 없을 것입니다."라고 Rovelli는 말합니다. "이런 일이 일어난다고 가정해 봅시다. 그리고 그것이 일어날 것인지는 확실하지 않지만, 일어난다고 가정합니다. 거기에는 시간 방향이 없다고 말해야 할까요? 물론 시간 방향은 없습니다. 한 방향으로 발생한 모든 현상은 어떤 것도 시간의 두 방향을 구분할 수 없습니다."

이것은 아마도 시간의 화살에 대한 가장 이상한 점일 것입니다. Carroll은 "잠시 동안만 지속됩니다."라고 말합니다.

시간의 화살이 결국 사라진다면 어떤 일이 벌어질지 상상하는 것은 매우 어렵습니다. "우리가 뉴런에서 열을 생성한다고 생각할 때"라고 Rovelli는 말합니다. "사고는 뉴런이 작동하기 위해 엔트로피가 필요한 과정입니다. 시간이 지남에 따라 우리의 감각은 엔트로피가 뇌에 하는 일입니다."

엔트로피에서 발생하는 시간의 화살은 왜 시간이 앞으로만 가는지 이해하는 데 훨씬 더 가까이 다가갑니다. 그러나 이 화살보다 더 많은 시간의 화살이 있을 수 있습니다. 사실 과거에서 미래를 가리키는 시간의 화살이 일제히 일제히 일제히 일제히 일제히 일제히 일제히 화살이 쏟아지고 있습니다. 이것을 이해하려면 물리학에서 철학으로 넘어가야 합니다.

 

인간의 시간

우리가 직관적으로 시간을 이해하고 경험하는 방식을 가볍게 여겨서는 안 된다고 뉴욕 컬럼비아 대학의 철학 교수인 Jenann Ismael은 말합니다. 시간에 대한 자신의 경험에 대해 생각해 보면 곧 인간 경험의 핵심 부분을 형성하는 몇 가지 심리적 화살을 인식할 수 있을 것입니다. 이 화살표 중 하나는 Ismael이 "흐름"이라고 부르는 것입니다.

시간이 앞으로 가는 이유에 대한 답은 우주가 시작된 방식에 뿌리를 두고 있습니다(제공: Edouard Taufenbach, Gallery C 제공)

"만약 당신이 세상을 바라볼 때, 당신은 세상의 순간적인 상태에 대한 순전히 정적인 표현을 경험하지 못합니다"라고 그녀는 말합니다. "우리는 세상이 변하고 있음을 직접 보고 있습니다."

시간의 흐름에 대한 이러한 경험은 우리의 지각에 내장되어 있습니다. "비전은 영화 카메라와 전혀 다릅니다."라고 Ismael은 말합니다. "실제로 일어나는 일은 당신의 두뇌가 일정 기간 동안 정보를 수집하는 것입니다. 그것은 그 정보를 통합하여 주어진 순간에 당신이 보고 있는 것이 두뇌가 수행한 계산이 되도록 하는 것입니다. 사물이 움직이는 것을 볼 뿐만 아니라 , 당신은 그들이 얼마나 빨리 움직이는지, 움직이는 방향을 봅니다. 그래서 내내, 당신의 뇌는 시간적 간격에 걸쳐 정보를 통합하고 결과를 제공합니다. 그래서 당신 은 시간을 봅니다."

이스마엘이 그녀가 "통로"라고 부르는 흐름과 구별하는 시간의 두 번째 특징이 있습니다.

통과의 개념은 기억 및 기대와 같은 시간 지향적인 경험과 밀접하게 관련되어 있습니다. 결혼식이나 기대되는 삶의 사건을 예로 들어 보겠습니다. 이러한 순간에 대한 우리의 경험에는 복잡한 계획 단계부터 하루의 강도, 수년 동안 우리에게 남아있는 기억에 이르기까지 많은 층이 있습니다. 이러한 다양한 경험에는 방향성이 있습니다. 우리가 미래의 사건을 예상하는 방식은 그것이 지나갔을 때 그것을 기억하는 방식과 근본적으로 다릅니다.

이스마엘은 "이 모든 것은 내가 과거에서 예상한 대로 모든 사건을 경험하고, 현재에서 경험하고, 회고적으로 기억하는 통과의 경험이라고 생각하는 것의 일부입니다."라고 말합니다. "그것은 밀도 면에서 일종의 프루스티안입니다 ."

심리적 시간의 방향성에 대한 이러한 측면과 다른 많은 측면, 예를 들어 과거가 아닌 미래에 대한 개방 감각은 모두 산업 혁명에서 태어난 시간의 화살로 그 뿌리를 추적할 수 있습니다.

Ismael은 "모든 것이 엔트로피로 돌아간다고 생각합니다."라고 말합니다. "인간 심리학에 관련된 화살의 종류가 궁극적으로 엔트로피 화살에 뿌리를 둔 것이 아니라고 생각할 이유가 없습니다. 그러나 그것은 실증적인 질문입니다. 엔트로피 화살과 관련하여 인간의 경험을 이해하는 이 프로젝트, 저는 ' 실패할 것이라고 생각할 이유가 없습니다."

그 프로젝트는 Carroll이 하기를 희망하는 것인데, 우리의 시간 경험의 몇 가지 특징을 취하고 그것들을 다시 엔트로피와 연관시킵니다. 그의 첫 번째 목표는 원인이 결과 보다 먼저 발생 하기 때문에 시간의 화살의 또 다른 요소인 인과 관계입니다.

시간의 화살이 우주의 기원에서 시작된 것처럼 우주의 죽음으로 끝날 수 있습니다(Credit: Edouard Taufenbach 제공 Gallery C)

간단히 말해서, 이 프로젝트는 관련된 모든 물리학자와 철학자들을 위한 주요 사업입니다. 그리고 여전히, 그러한 모든 노력의 이면에 숨어서 초기 우주에서 엔트로피가 왜 그렇게 낮았는지에 대한 잔소리가 남아 있습니다.

Rovelli는 "왜 우리가 흐르는 느낌이 있는지 이해한다고 생각합니다."라고 말합니다. "우리는 미래가 열려 있는 것처럼 과거가 우리에게 고정된 것처럼 보이는 이유를 이해합니다. 우리는 되돌릴 수 없는 현상이 있는 이유를 이해하고 모든 것을 열역학 제2법칙, 즉 엔트로피의 상승으로 축소할 수 있습니다.

"그것은 우리가 그것을 역으로 추적한다면, 우주가 아주 작은 상황에서 아주 독특한 상황에서 아주 작게 시작되었다는 사실과 매우 관련이 있습니다. 그리고 어떻게든 그것은 그 독특한 상황에서 떨어지고 있습니다.

"하지만 물론 한 가지 질문이 열려 있습니다. 제 말은, 왜요? 왜 그렇게 특정한 방식으로 시작되었나요?"