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현대 물리학의 최대 난제인 ‘시간’
130년 동안 SF의 단골 소재가 되어온 ‘시간여행’

이 모두를 짧고 명쾌하게 다룬
단 한 권의 책!

─빛이 빛보다 빠르게 움직인다는 게 가능하다고?
─타임머신은 발명하는 것보다 발견하는 게 더 빠르다?
─시공간이 풍선처럼 부풀어 오른다니?
─물리법칙은 운명을 바꾸도록 허락할까?

물질의 기본 단위인 원자나 소립자 수준에서 과거와 미래의 구분은 없다. 4차원이라는 개념을 특수상대성이론에 최초로 도입한 수학자 헤르만 민코프스키는 말했다. “앞으로 공간 자체와 시간 자체는 한낱 그림자처럼 사라질 운명이고, 오직 이 둘의 결합만이 독립적인 실체를 유지하게 될 것”이라고. 시공간이라는 개념과 함께 우리가 알던 시간의 개념은 사라졌다. 시간은 더 이상 일정한 속도로 한 방향을 따라 흐르는 무언가가 아니다.

그러나 물건은 헐고, 사람은 늙는다. 우리가 실제로 경험하는 세계는 과거와 미래의 구분이 명확하다. 도대체 이 차이는 어디서 발생하는 것일까? 우리는 어떻게 과거와 미래를 받아들여야 하는 것일까? SF로 과학의 길에 들어선 천체물리학자 존 그리빈은 《시간의 물리학: SF가 상상하고 과학이 증명한 시간여행의 모든 것》으로 이와 같은 의문에 친절하게 답한다. 오랫동안 대중에게 시간의 수수께끼를 해설해온 존 그리빈은 현대 과학의 최신 성과가 담긴 이 책을 통해 시간에 대한 새로운 서사를 보여준다.

저자는 허버트 조지 웰스, 아서 C. 클라크, 아이작 아시모프 등 자신이 사랑해온 SF 작가들의 소설 속 시간여행의 가능성을 차근차근 살펴본다. 그는 시간여행이라는 아이디어에 담긴 과학적 실체를 낱낱이 탐색하고 이를 알베르트 아인슈타인, 칼 세이건, 미치오 카쿠 등이 탐구해온 상대성이론, 블랙홀, 멀티버스 등에 대한 연구와 비교한다. 저자는 다양한 콘텐츠를 통해 시간여행이라는 소재에는 익숙해졌지만 그것이 현실과는 거리가 먼 소설적 상상에 불과하다고 생각해온 많은 사람들에게 말한다. 시간여행은 진지한 과학의 대상이며, SF는 재밌는 이야기일 뿐만 아니라 그 자체로 물리학적 사고실험이라고. 독자들은 《시간의 물리학》을 읽으며 시간여행의 가능성을 탐색하는 것은 물론, 시간에 대한 고정관념에서 벗어나 SF와 과학이 하나 되는 순간의 지적 즐거움을 만끽할 수 있을 것이다.

1. 우리가 사랑하는 이야기에 꼭 들어 있던 것, 시간여행
─ 시공간을 건너다니며 운명을 바꾸는 좌충우돌 SF 속 시간의 물리학

1895년 허버트 조지 웰스의 소설 《타임머신》부터 대중화된 시간여행은 약 130년 동안 우리에게 즐거운 상상의 소재가 되어왔다. 과거로 돌아가 후회막심했던 순간을 만회하고, 시간을 역행하며 세계와 자신의 운명을 바꾼다는 상상은 뿌리칠 수 없이 매력적이다. 《시간의 물리학》은 짜릿함은 물론 성찰까지 안겨주는 시간여행 이야기를 색다른 방식으로 펼쳐 보인다. 저자는 시간여행이 공간을 누비는 “우주여행과 마찬가지로 진지한 과학 이론으로서 (당연하게도) 과학자들의 면밀한 검토 대상이 되었고, (의외일지도 모르지만) 그 가능성을 두고 진지한 과학 실험이 이루어진 적도 여러 번”(19쪽)이라는 점을 강조한다. 이 전제에서부터 그는 SF와 현대 물리학이 결합한, 현실적이면서도 환상적인 시간의 물리학을 전개한다.

첨단과학과 궤를 같이하는 하드 SF(자연과학인 하드 사이언스Hard Science를 주요 소재로 삼은 SF)는 사고실험으로 발전해온 현대 물리학과 떼어놓을 수 없는 관계다. 그렇다면 어째서 저자가 SF와 현대 물리학을 함께 다루려는지도 충분히 납득할 수 있다. 물리학계에서 시간여행의 가능성은 여전히 논쟁의 영역이지만, 저자는 9단계의 사고실험을 통해 ‘시간여행은 가능하다’라고 명쾌하게 결론짓는다. 언뜻 복잡해 보이는 물리학 이론과 SF를 하나의 장면에 병치함으로써 의도를 갖고 설계된 실험과 그 결과만을 기술하는 과학이 아닌, 이야기로 세계를 구축하는 물리학을 우리에게 보여준다. 이 책의 마법 같은 면모는 상상력이 세계의 지평을 열 수 있다는 것을, 그리고 과학이 얼마나 소설처럼 흥미로울 수 있으며 SF는 과학처럼 정교할 수 있는지를 보여준다. 실제로 과학과 영향을 주고받은 SF에 대한 이야기를 통해 독자는 현대 과학과 SF 모두 새롭게 읽게 될 것이다.

“시간여행을 ‘그저 SF에서나 가능한 공상’으로 치부하는 사람은 과학적인 맥락에서 틀렸을 뿐만 아니라 SF라는 장르에 심각한 무지를 드러낸 것이다. 왜냐하면 SF 작가들이 제시한 시간여행이 과학 논문이 콕 집어내지 못한 과학적 진실을 부각시킨 경우는 결코 드물지 않기 때문이다.”─〈서론: 시간여행은 ‘그저 SF에서나 가능한’ 공상이 아니다〉 중에서

“아인슈타인 방정식에 대한 괴델의 해가 중요한 이유는 시간여행이 일반상대성이론을 위반하지 않는다는 점을 밝혔기 때문이다. 그리고 물리학에서 금지되지 않은 일은 강제되는 법이다.”─〈5단계: 회전하는 원통과 전역 인과율 위반 가능성〉 중에서


2. 이제 SF가 상상해온 시간여행을 과학적으로 증명한다
─ SF와 물리학의 거장들에게서 도출해낸 시간에 관한 9단계 사고실험

책은 이 모든 이야기의 배경이 되어줄 시공간에서부터 시작된다. 1단계 사고실험은 4차원으로서의 시간을 다룬다. 상대성이론이 기술하는 시공간은 마치 트램펄린 위에 볼링공을 올려놓았을 때처럼 움푹 패이고 구부러진다. 질량에 따라 휘어지는 시공간 속에서의 운동은 모두에게 동일하게 경험되지 않는다. 영화 〈인터스텔라〉(2014)에서 파도치는 행성에서 보낸 3시간이 그들을 기다리고 있던 우주선 속 사람에게는 23년 8개월 4일이었다는 것처럼 말이다. 이를 ‘시간팽창 효과’라고 하며, 시간팽창 효과는 SF 속 시간여행의 가장 대중적인 설정인 ‘미래로의 시간여행’의 기반이 된다.

하지만 과거로의 시간여행을 상상하기란 쉽지 않다. 2단계 사고실험이 지적한 대로 ‘엔트로피는 항상 증가한다’라는 열역학 제2법칙을 피해갈 순 없기 때문이다. 우주 전체의 엔트로피는 시간이 지날수록 증가하고, 이는 시간의 방향성을 나타낸다. 물론 증가한 엔트로피가 다시 줄어드는 상황이 아예 없진 않다. 그저 “실로 긴 시간”(46쪽)인 ‘푸앵카레 순환시간’이 필요할 뿐이다. 그러나 가만히 있는 채로 엔트로피의 역전을 기다릴 순 없는 노릇이다. 그렇다면 빛보다 빠르게 움직여 과거로 시간여행하는 건 가능하지 않을까?

3·4단계 사고실험은 이 질문에 ‘가능하다’라는 답을 내놓는다. 바로 ‘양자 터널링’을 통해서다. 이는 양자의 불확정성에서 생기는 현상이며, ‘순간이동’ 한다는 측면에서 빛보다 빠르다. 1994년 쾰른대학교의 귄터 님츠는 실제로 4.7c(광속의 4.7배)의 마이크로파를 측정했다. 그런데 그보다 앞선 1948년, 아이작 아시모프는 빛보다 빠르게 자진해서 ‘입수’하는 물질인 ‘티오티몰린(Thiotimolin)’에 대한 패러디 논문을 발행했다. 이후 1973년 티오티몰린에 대한 사고실험을 끝까지 밀어붙인 아시모프는 물을 찾아 미래로 여행을 떠나는 티오티몰린의 운명을 이론적 근거를 들며 설명했는데, 이는 님츠 실험 장치의 배열 및 원리와 꼭 닮았다. 물리 법칙은 처음부터 빛보다 빠르게 움직일 수 있는 가능성을 열어두고 있었던 것이다.

가능성이 있다면 단 하나의 가정도 놓치지 않는 저자는 5단계 사고실험에서 그다음의 논의로 나아간다. 시간도 차원이라면 시간 축을 따라 이동하면 되지 않을까? 앞에서 말했듯 시공간은 거대한 물체에 의해 ‘휘어진다.’ 그리고 그 물체를 ‘회전시킨다면’ 시공간은 “병에 든 묽은 꿀을 숟가락으로 빙빙 휘저을 때 주위의 꿀이 함께 끌려오는” 것처럼 회전한다(92쪽). 회전하고 있는 시공간에 가까이 접근할수록 우리의 시공간 축도 함께 휘어지고, 우리에게 시간이었던 것은 공간이, 공간이었던 것은 시간이 된다.

이제 시간여행을 위한 모든 준비를 마쳤다. 그렇다면 우리는 이제 과거나 미래로 가서 역사와 운명을 바꿀 수 있는 것일까? 뒤이어 저자는 고정된 미래, 다세계 해석, 할아버지 패러독스 등의 이야기를 통해 우리의 호기심을 충족시키고 의문을 불식시킨다.

이처럼 저자는 천체물리학자이자 SF를 사랑하는 작가로서 풍부한 사고실험을 통해 시간여행의 가능성을 입증하고 시간에 대한 우리의 상식을 넓혀준다. 과학 커뮤니케이터로서의 그의 역량은 얼핏 어려워 보이는 과학 지식을 수식 하나 없이 설명해 독자의 진입 장벽을 낮추고, 본문 사이사이에 덧붙인 SF와 물리학 거장들의 한마디를 통해 독자가 내용을 직관적으로 이해할 수 있도록 돕는다. 저자와 함께 한 단계씩 사고실험을 거친다면 누구나 자연스럽게 시간의 물리학을 체득하게 될 것이다. 독자들이 책 속의 사고실험을 머릿속에 생생하게 그릴 수 있도록 한국어판에서는 원서에 없는 도판과 설명을 덧붙였다.

"비슷한 실험을 수행한 쾰른대학교의 귄터 님츠(Gunter Nimtz) 연구팀은 정보를 광속보다 빠르게 과거로 전달할 수 있다는 사실을 입증했다. …… 모차르트 교향곡 40번의 도입부를 마이크로파로 기록해서 터널링을 실험했고, 장벽 반대편에 도달한 마이크로파를 다시 기록했다. 마이크로파의 속도는 4.7c에 달했다. 결과물의 음질은 썩 좋지 않았지만 여전히 음악으로 감상할 만했다. 바꿔 말해서, 모차르트의 음악은 광속의 네 배를 넘는 속도로 이동했던 것이다. 그것이 전달한 정보의 양은 원래의 고음질 버전에 포함된 정보량보다는 적었지만, 정보를 포함하고 있었다는 점에는 변함이 없었다. 그리고 그 정보는 시간을 역행했다."─〈4단계: 빛은 빛보다 빠르게 움직일 수 있다〉 중에서

“1985년에 발표한 과학 논문에서 데이비드 도이치는 말했다. “물리법칙을 위배하지 않는 모든 소설은 사실이다.” 2011년에 도이치는 《무한함의 시작(The Beginning of Infinity)》에서 조금 다른 표현으로 이 주장을 되풀이했다. “수많은 소설들이…… 멀티버스에서 실제로 일어난 사건을 밀접하게 반영하고 있다.” 내가 굳이 되풀이해서 강조하는 이유는, 도이치는 글자 그대로 진심으로 그렇게 말하고 있기 때문이다. 양자 스냅숏이나 타임캡슐들로 이뤄진 멀티버스에서는, 예를 들어 제인 오스틴의 소설이라든지 이언 랜킨의 ‘존 리버스 시리즈’ 같은 미스터리는 각각 우리의 세계와 인접한 평행 현실에서 실제로 일어난 일들에 관해 이야기하고 있다.”─〈9단계: 패러독스를 회피하는 방법〉 중에서


3. SF를 사랑하는 ‘덕후’들이 만났다
─ SF 쓰는 천체물리학자 존 그리빈과 SF 전문 번역가 김상훈의 크로스오버

이 책을 마무리하는 글은 저자의 단편 SF다. 정확하게 설계된 실험과 검증을 중시하는 과학은 직접적으로 의미를 드러내지 않는다. 이와 달리 SF는 이야기 속에서 새로운 관점을 실험하며 종종 진실을 드러낸다. 9단계의 사고실험을 거치며 시간의 물리학에 대한 이야기를 끝마친 저자가 SF로 이 책을 마무리한 이유를 곱씹어볼 만하다. 여전히 미지의 영역인 시간에 대해 우리는 어떤 결론을 내릴 수 있을까? 저자는 우주여행이 과거의 유물이 되어버리고 시간여행이 트렌드가 된 시대 속 어느 시간여행자를 통해 시간(여행)의 역설을 위트 있게 그리면서 책을 끝맺는다.

SF가 자신의 뮤즈라고 말하는 저자의 ‘덕후력’을 감당하기 위해선 그에 걸맞은 번역자가 필요했다. 1990년대 중반부터 지금까지 한국 SF의 길을 닦아온 김상훈 SF 평론가가 이 책의 번역을 맡았다. 역자는 로버트 하인라인, 로저 젤라즈니, 필립 K. 딕 등 유명 SF 작가들의 작품 번역을 기획했고, 하드 SF의 거장 그렉 이건과 테드 창의 작품 번역으로 한국 SF의 저변을 넓혀왔다. 《시간의 물리학》을 번역하면서는 판타지 성향의 SF, 스페이스오페라, 하드 SF 등 다양한 작품에 대한 높은 이해를 바탕으로 본문 속 수많은 고전 SF의 맥락을 정확하게 짚어냈다.
한편 이 책은 현재 폭발적으로 활용되고 있는 AI 생성 이미지를 표지에 도입해 책에 대한 호기심을 증폭한다. SF적 상상력과 물리학 연구가 멋지게 융합한 이 책을 통해, 많은 이가 SF와 물리학 ‘덕질’의 세계에 제대로 입문할 수 있을 것이다.

“알다시피 베른, 웰스, 클라크, 아시모프를 위시한 SF 작가들의 작품 상당수에는 진짜 과학 이야기가 들어가 있으며, 《어스타운딩》(1930년부터 지금까지 발행 중인 미국 SF 잡지)과 더불어 나의 개인적인 뮤즈가 되어준 것은 바로 이들이었다.”─〈저자의 말〉 중에서
“20세기 SF의 사고실험과 첨단과학을 구사한 시간 연구가 불가분의 관계에 있다는 사실을 감안한다면 이 책은 (적어도 현시점에서는) 선택이라기보다 필연에 가깝다.”─〈옮긴이의 말〉 중에서

저자의 말 아홉 뮤즈에 관한 고찰
서론 시간여행은 ‘그저 SF에서나 가능한’ 공상이 아니다
1단계 시간과 공간은 유연한 시공간을 구성한다
2단계 시간의 화살은 가리키기는 해도 움직이지는 않는다
3단계 빛보다 빨라지면 시간을 거슬러 오른다
4단계 빛은 빛보다 빠르게 움직일 수 있다
5단계 회전하는 원통과 전역 인과율 위반 가능성
6단계 초보자를 위한 시간 터널 효과
7단계 앞으로 존재할 모든 것은 실제로 존재한다
8단계 시간을 옆으로 이동하기
9단계 고찰 패러독스를 회피하는 방법
에필로그 뒤돌아보지 말라
감사의 말
옮긴이 후기
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이미지 출처

시간팽창 효과는 수많은 SF의 기반이 되었고, 미래를 향한 일방통행식 시간여행의 수단으로 주목을 받았다. …… 그러나 시간팽창 효과는 ‘그저 SF’가 아니다. 스위스 제네바의 유럽입자물리연구소(CERN)에 있는 가속기나 캘리포니아의 길이 3킬로미터에 달하는 스탠포드 선형가속기(SLAC) 같은 대형 입자가속기가 수명이 짧은 소립자들을 대상으로 수행한 연구에서 시간여행과 가장 밀접하게 관련된 실험 결과들이 나왔다. …… 어떤 의미에서는 미래로 짧은 시간여행을 했다고나 할까. 정지 프레임에서의 수명이 1000만 분의 1초인 입자의 경우, 광속의 13분의 12에 달하는 속도로 움직인다면 붕괴하기 전까지 30미터에 조금 못 미치는 거리를 이동할 수 있다. 그러나 시간팽창 효과 때문에 그 입자는 그보다 2.6배 더 긴 거리, 그러니까 70미터를 조금 넘는 거리를 이동한다. ─〈1단계: 시간과 공간은 유연한 시공간을 구성한다〉, 29쪽

운동은 공간을 수축시키고 시간을 팽창하게 한다. 4차원 시공간에서 중요한 것은 이 둘의 조합인데, 이는 연장(extension)이라고 불린다. 어떤 물체의 연장은 그것이 어떤 식으로 움직이든 불변한다. 시간과 공간은 개별적으로 왜곡되더라도 말이다. 손에 쥔 막대기를 벽 앞에서 이리저리 움직일 경우, 벽에 비치는 막대기 그림자의 모양이 변해도 막대기의 실제 길이는 변하지 않는 것과 비슷한 이치다. 같은 맥락에서, 시간팽창과 길이수축은 시공간에서 이리저리 움직이는 연장이 시간과 공간에 떨어뜨리는 그림자라고 할 수 있다. (민코프스키의 말을 떠올려보라!) ─〈1단계: 시간과 공간은 유연한 시공간을 구성한다〉, 31쪽

스마트폰이 당신의 현 위치를 몇 미터 단위까지 정확하게 알려줄 수 있는 것은 일반상대성이론이 예측하는 시간팽창 효과를 감안해서 계산을 수행하기 때문이다. 시공간은 실제로 유연하고, 시간팽창 효과는 현실이다. ─〈1단계: 시간과 공간은 유연한 시공간을 구성한다〉, 34쪽
이 결과는 200년 이상 물리학계를 지배해온 뉴턴역학에 정면으로 위배되므로, 결국 뉴턴과 맥스웰 중 한 사람은 틀렸다는 이야기가 된다. 여기서 아인슈타인의 천재성을 엿볼 수 있다. 수정해야 하는 것은 맥스웰 방정식이 아니라 뉴턴역학의 법칙들이라는 사실을 깨달았다는 것이다. 그 뒤에 일어난 일들은 누구나 알다시피 역사가 되었다. ─〈3단계: 빛보다 빨라지면 시간을 거슬러 오른다〉, 56쪽

양자역학의 법칙을 태양의 중심의 조건에 대입해보니, 양성자들이 터널링을 통해 서로를 가로막는 장벽을 넘을 수준까지 근접할 수 있는 온도와 정확히 일치했다. 태양의 중심에서 핵융합 반응이 지속될 수 있었던 것은 양자 터널링 덕이었던 것이다. ─〈4단계: 빛은 빛보다 빠르게 움직일 수 있다〉, 75쪽

단순화해서 말하자면, 블록우주 개념은 지금까지 존재했거나 앞으로 존재할 모든 것은 ‘언제나’ 그곳에 존재한다고 주장한다. 다세계 해석은 지금까지 존재했거나 앞으로 존재할 모든 우주는 ‘언제나’ 그곳에 존재한다고 주장한다. ─〈8단계: 시간을 옆으로 이동하기〉, 147쪽
스몰린은 이런 설명을 단순한 비유 이상의 것으로 간주했다. 우리 우주처럼 블랙홀을 쉽게 생성하는 우주는 수많은 아기 우주를 낳을 것이고, 그런 아기 우주들이 물려받은 속성은 멀티버스에 넓게 분산되는 결과로 이어질 것이기 때문이다. 블랙홀을 쉽게 만들어내지 못하는 우주는 많은 자손을 남기지 못하므로 수 자체가 적다. 스몰린은 우리 우주가 이런 종류의 진화론적 과정의 산물이며 다른 우주에 있는 블랙홀이 붕괴하면서 생겨났을지도 모른다고 지적했다. 한편 이런 논리는 호일과 도이치와 바버가 제시한, 시간이 존재하지 않는 블록우주의 개념과도 일맥상통한다. ─〈8단계: 시간을 옆으로 이동하기〉, 162쪽

웰스는 《타임머신》뿐만 아니라 《우주 전쟁》(1898), 《모로 박사의 섬》(1896), 《투명 인간》(1897) 등의 고전들을 통해 근대 SF의 초석을 쌓은 것으로 평가받는다. 그에 대한 학술적 연구는 주로 과학 로맨스[Scientific Romance]의 형식을 빌려 빅토리아 시대의 사회상을 예리하게 비판한 문명 비평가로서의 활동에 초점을 맞춘 문화사적인 담론이지만, 이 책 《시간의 물리학 : SF가 상상하고 과학이 증명한 시간여행의 모든 것》 은 웰스가 처음 제시한 시간여행의 가능성 또는 불가능성을 아인슈타인의 상대성이론의 입장에서 극명하게 탐구했다는 점에서 관련 서적 중에서도 매우 특이한 위치를 점하고 있다. 특히 웰스 이후에 발표된 영어권의 주요 시간여행 소설들을 예로 들어 독자의 이해를 돕고 있다는 점이 독특한데, 20세기 SF의 사고실험과 첨단과학을 구사한 시간 연구가 불가분의 관계에 있다는 사실을 감안한다면 이것은 (적어도 현시점에서는) 선택이라기보다 필연에 가깝다. ─〈옮긴이의 말〉, 205쪽