유레카 3 -예순세번째이야기
(상대성 이론의 철학적인 결론은 시간과 공간은 절대적인 값이 아니며 우주는 하나의 소스로 만들어졌다는 것이다)
3부. 길
23장. 미래 3
* 이 글은 <유레카3>의 63번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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181. 아인슈타인의 일반상대성이론
[모든 운동은 상대적이며, 가속 운동을 하는 모든 관찰자에게도 같은 물리 법칙이 적용된다.
단, 같은 물리 법칙이 적용되기 위해서는 가속 운동을 하는 시공간(혹은 중력을 받는 시공간)은 휘어져야 한다.]
표에서 보는 것처럼 상대성 원리나 특수 상대성 이론은 등속 운동이라는 특수한 상황에서의 운동에 관한 규정이라면, 일반 상대성 이론은 가속 운동 등 일반적인 모든 상황에서도 적용되는 규정이다.
특수 상대성 이론에서 우리는 크게 2가지의 결론을 도출하였다. 그 하나는 물리적 결론으로 물체의 속도가 증가할수록 시간은 느려지고, 공간은 축소되고, 질량은 늘어난다는 것이다. 이로 인한 부수적인 법칙이 유명한 에너지 등가 법칙 E=mc2이다. 나머지 하나는 철학적 의미의 결론으로 시간과 공간, 물질과 에너지는 같은 개념의 서로 다른 표현이라는 것이다.
138억 년 전 우리가 태초 혹은 한 처음이라 부르는 어느 날, 시간이 '0'이었을 때 공간도 당연히 '0'이었다. 시간=공간이다. 마찬가지로 '시간 138억년= 공간 현재 우주'이다. 그러므로 138억년 그 전의 우주를 묻는 것은 어리석은 질문이다. 시간과 공간은 함께 생겨났고, 함께 흘러가며, 함께 끝날 것이다. 특수 상대성이론의 철학적 의미는 우주가 무(無)에서 생겨났다는 또 다른 반증이다.
물질과 에너지는 같은 개념이다. 물질은 입자로 나타나고, 에너지는 장(場, field)으로 표현된다. 우리 우주 공간은 기본적으로 힉스입자가 힉스장(場)으로 변한 공간이다. 힉스가 물질에 질량을 부여하므로 상대성이론의 속도를 고려하지 않는다면, 질량은 고전적 이론으로 우주 어느 곳에서나 동일한 값을 가진다. 거꾸로 물질에 질량이 존재한다는 것은 그곳이 힉스장의 영역이라는 의미이다. 질량은 또한 중력을 만든다. 중력은 중력장을 형성한다. 중력은 거리의 제곱에 반비례하므로 거리가 멀어지면 힘이 약해기긴 해도 없어지지는 않는다.
(에너지와 물질을 같은 개념으로 보면 우리 우주는 꽉 차 있다)
그러므로 우주에 진정한 의미의 빈공간을 뜻하는 진공(眞空)은 존재하지 않는다. 에너지는 곧 물질이다. 우주는 에너지로 가득 차 있다. 이 말은 우주는 물질로 가득 차 있다는 말과 같은 말이다. 빛은 진공을 날아오는 것이 아니라 에너지의 장을 날아오는 것이다.
일반 상대성 이론을 말하기 전에 두 가지 문제를 잠깐 짚고 넘어 가 보자. 하나는 동시의 개념이다. 동시(同視)는 동시(同時)인가? 하늘의 별들을 우리는 동시(同視)에 볼 수 있다. 그러나 동시(同時)는 아니다. 달의 빛이 우리에게 오는 시간은 약 1.3초이지만 태양은 약 8분이 걸린다. 어떤 별은 몇 십 년, 어떤 별은 몇 백 년 혹은 몇 천 년이 걸리기도 한다. 은하의 빛의 경우는 수십억 년, 백억 년이 넘는 은하의 빛이 지구에 도달하기도 한다. 별을 보는 것은 과거를 훔쳐보는 것이다. 그러므로 같이 보인다고 같은 시각의 일은 아니라는 것이다. 발상의 전환이 필요하다.
이제 일반 상대성 이론을 이야기해보자. 특수상대성 이론이 속도(速度)에 관한 이야기라면, 일반 상대성 이론은 중력(重力)에 관한 이야기이다.
여기서의 발상의 전환 포인트는 빛은 항상 직진한다는 것이다. 직진의 의미는 똑바른 길이 아니라, 가장 빠른 길이라는 의미이다. '빠른 길'이 '직선'이라는 발상의 전환이 필요하다. 평면에서는 똑바른 길이 당연히 가장 빠른 길이다. 그러나 모든 평면에서 꼭 그런 것은 아니다. 정홍균님의 설명을 인용해보자. 그림과 같이 바다에 빠진 사람이 있다. 가장 빠른 길은 직선으로 보이는 3번 길이 아니라 4번 길이다. 물에서는 땅보다 더 느리게 가기 때문이다. 5번 길은 너무 많이 돌아가서 4번보다 더 느리다.
(A에 B까지 가는 가장 빠른 길은 4번길이다)
빛도 마치 생각을 하는 것처럼 자신이 어떻게 가야 가장 빨리 가는지를 안다. 빛은 물에서는 속도가 느려진다. 그러므로 가장 빠른 길을 선택하기 위해서 빛은 굴절을 일으킨다.
(빛은 가장 빠른길을 알고 있다. 그러므로 빛은 4번길을 선택한다. 빛에게는 4번길이 직선이다.)
참 멋진 설명이 아닌가? 보통은 빛의 굴절을 설명하기 위해서는 두 매질의 밀도차이로 한참을 설명해야 한다. 발상의 전환은 진실에 접근하는 참 쉬운 길이기도 하다.
빛은 우주 공간에서 직진을 한다.
그런데 실제로는 무거운 별이나 은하를 지날 때는 중력의 영향으로 빛은 휘어지는 것으로 관측된다. 이것은 빛이 휘어지는 것이 아니라 중력의 영향으로 공간이 일그러진 것이라고 아인슈타인은 생각하였다.
공을 수평으로 던지면 던지는 힘에 의해 앞으로 나아가려는 관성력과 공을 아래로 잡아당기는 중력의 영향으로 포물선을 그리며 땅으로 떨어진다. 이것은 초중고교 과학시간에 힘과 중력을 설명하는 방식이다. 관찰자의 입장이다. 그러나 아인슈타인은 공의 입장에서 생각하였다. 공은 앞으로 나아가기만 하려는데 땅이 올라와 부딪힌 것이다.
참으로 멋진 생각이 아닌가? 아인슈타인은 이런 발생의 전환을 통하여 그의 상대성이론을 완성해 간다.
그리하여 도출된 일반상대성 이론의 결론은
1. 관성력과 중력을 구분할 수 없다. (g=a, 등가원리,principle of equivalence). 즉, 중력이 아래로 잡아당기는 힘과, 중력과 똑같은 크기의 가속도로 중력의 반대방향으로 작용하는 힘이 있다면 이 둘을 구분할 수 없다.
2. 중력은 공간을 휘게 한다. 태양의 중력으로 공간이 휘어 있어 지구를 비롯한 행성들은 그 휘어진 면을 따라 운동을 한다.
3. 휘어진 공간으로 통과하는 빛은 휘어져 직진한다. 공간이 휘어져 있으므로 휘어져 가는 것이 직진이다.
(중력에 의해 휘어진 공간. 중력의 중심을 태양이라 하면 u는 빛, c는 지구, e는 혜성의 진로를 표시한다)
4. 중력이 없거나 약한 공간에서 중력이 강한 공간의 시계를 보면, 항상 시간이 느리게 간다.
5. 공간은 중력장, 전자기장과 같은 에너지 필드로 가득 차 있다. 에너지=물질(E = mc²) 이므로, 공간은 물질로 채워져 있는 것이고, 공간=물질이다. 또 공간=시간 (√x²+y²+z²= ct)이므로, 결국 시간 =공간 =물질 =에너지이다.
(상대성이론의 철학적 결론)
상대성 이론의 철학적인 결론은 시간과 공간은 절대적인 값이 아니며 우주는 하나의 소스로 만들어졌다는 것이다.
컴퓨터 게임 속에는 배경이 되는 산도 있고 바다도 있고 움직이는 캐릭터들도 있지만 사실은 모두 컴퓨터 언어인 명령어 소스로 다 만들듯이 우리 우주도 그렇게 만들어져 있다는 의미이다. 게임 속의 산에는 흙 성분이 없고, 바다에는 물 성분이 없고, 캐릭터도, 그 캐릭터를 움직이는 에너지도 모두가 같은 [명령어]라는 컴퓨터 소스이다. 심지어 그 게임 속 비어 있는 빈 공간조차도 명령어 소스로 만든다. 우리 우주도 그렇게 만들어져 있다. 그렇게 보면 '빛이 생겨라.(창세기 1,3)'라는 명령어로 시작하는 창세기의 천지창조 이야기도 아주 틀린 것은 아닌 듯 하고, '말씀이 하느님이고, 말씀으로 인해 모든 것이 생겨났다.'는 요한복음의 시작은 우연의 일치인지는 모르지만 최첨단 과학 이론인 상대성이론의 철학적 결론과 너무나 일치한다. 세상은 정말로 말씀으로 생겨났다.
182. 플랑크 길이. 플랑크 시간
그렇다면 이런 의문이 든다. 사람이 컴퓨터를 통해 창조하는 컴퓨터의 세상은 디지털 개념이다. 영화는 보통 1초에 24장을 찍은 사진을 연속해서 보여주는 방식이다. 우리가 보기에는 연속된 그림 같지만 실제로는 1/24초 씩 잘게 나누어져 있다. 1/24초와 다음 1/24초 사이의 시간은 영화에서는 무(無)의 시간이다. 영화는 1/24초씩 순간이동을 하는 것이다. 우리는 이것을 24프레임(frame)이라 한다. 물론 더 작거나 큰 프레임도 당연히 있다. 영화에 있어 프레임은 시간의 기본 단위이다.
공간 역시 마찬가지이다. 화면의 공간은 픽셀(pixel)로 표시한다. 화면에 나타내는 한 점의 크기이다. 즉, 화면 공간의 최소단위이다. 이처럼 사람이 만들어낸 인조 우주에는 최소 시간과 최소 공간이 존재한다.
우주는 어떨까? 우리 우주는 인류가 만든 디지털 개념이 아니라 아날로그 개념이라고 통상 이야기한다. 실제로 그럴까? 과학은 인간이 측정할 수 있는 최소, 최대 단위를 규정하고 있다. 일명 플랑크 길이, 플랑크 시간 등이 그것이다.
플랑크 길이(Planck length)는 우리가 보통 알고 있는 공간이 더 이상 존재하지 않게 되는 크기를 말한다. 1.616×10−35m. 현대 물리학에 있어 이 단위가 우주 공간의 픽셀 단위이다.
빚보다 빠른 것은 없다. 플랑크 속도는 우주 공간의 최대 속도인 빛의 속도이다. 거리=시간x속도이므로 여기에서 플랑크 시간을 구할 수 있다. 5.391×10−44초. 과학은 이 시간보다 더 짧은 단위로 측정할 수 없다. 우주의 프레임인 것이다.
인류의 현대과학이 규명한 최소단위가 이렇다는 것이다. 실제로 우주는 이것보다 더 작은 단위의 시간과 길이를 가지고 있을 수도 있을지도 모른다. 그러나 우리 우주가 제작된 것이라면 공간과 시간의 최소 단위는 반드시 존재해야 한다.
전자가 에너지 준위를 바꿀 때 전자의 괘도 사이의 공간을 지나쳐 가는 것이 아니라 한 괘도에서 다른 괘도로 순간 이동한다는 말을 기억하는가? 꼭 전자의 괘도 이동시 순간 이동이 가능한 것은 분명히 이동의 기본 단위가 존재한다는 증거이다.
183. 양자역학과 통일장 이론의 실패
아인슈타인의 상대성 이론의 결론은 우리 우주를 구성하는 공간, 시간, 물질과 에너지는 모두 하나의 같은 개념이라는 것이다. 상대성 이론 후에 아인슈타인은 그의 남은 생애를 통일장 이론을 발견하는데 전력을 기울인다. 우리 우주가 하나의 개념이라면 우리 우주를 움직이는 규칙은 하나이어야 한다고 그는 생각했다.
그러나 그의 꿈은 양자역학이라는 괴물에 막혀 좌절된다. 아인슈타인이 본 우주는 시간과 공간과 물질과 에너지가 서로 정확한 비율로 교환되는 정형화 된 우주이다. 시간과 공간이 휘어지고 뒤틀린다 해도 인간의 논리로 다 이해되고 설명할 수 있는 것이었고, 아인슈타인은 그를 증명하였다. 그래서 우리는 이 정형화된 우주의 규칙을 규명하는 것을 고전역학이라고 한다. 고전역학은 뉴턴에서 시작하여 아인슈타인에서 마무리 된다. 아인슈타인의 역할은 여기까지였다.
그런데 아인슈타인이 상대성 이론으로 한창 명성을 떨치던 그 즈음부터 양자역학이라는 말이 나오기 시작한다. 입자의 움직임이 정형화되지 않고 확률로 나타난다는 것이다. 아인슈타인에게는 말도 안 되는 소리였을 것이다. 아인슈타인은 양자역학자들과 치열하게 논쟁을 한다.
'신은 주사위 놀이를 하지 않는다.'
당시의 양자역학 과학자들에게 던진 이 한마디에 아인슈타인의 의지와 분노가 함께 느껴진다. 그러나 1세기가 지난 지금 양자역학은 엄연한 현대과학의 한 축이고 아인슈타인의 마지막 꿈이었던 통일장이론은 요원해졌다. 우주는 아인슈타인의 생각보다 조금 더 복잡하게 만들어졌다. 아인슈타인이 한 번 더 발상의 전환을 하여 양자역학을 받아들였다면 우리는 우주의 진실이 훨씬 더 빨리 접근 할 수 있었을 것이다.
양자역학이 아니더라도 원자의 구성을 살펴보면, 원자는 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다. 양성자는 up쿼크 2+ down쿼크 1로, 중성자는 반대로 up쿼크 1+ down쿼크 2개이다. 질량은 up쿼크 2.4MeV/c2 이고 down쿼크는 4.8MeV/c2이다. 양성자는 9.6MeV/c2, 중성자는 12.0MeV/c2의 질량이 되어야 하지만 실제 양성자는 약 938MeV/c2, 중성자는 약 940MeV/c2이다. 전자의 질량은 양성자나 중성자의 1/1,836인 0.511MeV/c2이므로 원자의 질량은 대부분 양성자와 중성자가 차지한다. 좀 이상하지 않은가? 쿼크의 결합으로 인해 질량이 거의 백배나 뻥튀기되었다. 학자들은 이것을 쿼크를 결합시키는 강력한 에너지가 질량으로 변한 것이라고 설명하지만, 쿼크를 결합시키는 힘인 강력만으로는 설명하지는 못한다. 즉, 원자 질량의 99%는 알지 못하는 에너지가 질량으로 변화한 것이다. 우리 몸과 우리 주위의 모든 물질은 원자로 이루어져 있는데 그 원자를 구성하는 99%의 질량은 어디에서 왔는지 모르는 값이다.
에효!
색즉시공(色卽是空), 공즉시색(空卽是色).
원문 ; 2014년 3월 19일
수정 ; 2014년 12월 4일