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나우: 시간의 물리학
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| | 162*231*36mm
ISBN-10 : 1189932172
ISBN-13 : 9791189932176
나우: 시간의 물리학 중고
저자 리처드 뮬러 | 역자 장종훈 | 출판사 바다출판사
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2019년 6월 14일 출간
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46 깨끗하고 보기에도 편하고 좋아요 5점 만점에 5점 sune*** 2020.03.11
45 깨끗한 책 잘 받았습니다. 5점 만점에 5점 yojo*** 2020.03.07

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스티븐 호킹 "시간의 역사" 20년 후,
현대 물리학은 어떻게 시간을 설명하는가

현대 물리학의 최전선, 실험물리학자 리처드 뮬러의 ‘진짜’ 시간 이야기 《나우: 시간의 물리학》은 물리학의 풀리지 않은 오랜 수수께끼인 ‘지금’의 의미와 시간의 흐름을 설명하는 책이다. 《대통령을 위한 물리학》으로 유명한 실험물리학자 리처드 뮬러는 이 퍼즐을 풀기 위해 상대성이론, 양자물리학, 빅뱅이론 등 현대 물리학이 시간에 대해 알아낸 사실들을 하나하나 검토하고, 엔트로피와 물리주의 같은 잘못 맞춰진 조각들을 제거한 후, ‘4차원 빅뱅’이라는 검증 가능한 이론을 제시한다. 이 책은 이론가가 아닌 실험물리학자가 시간에 대해 본격적으로 논한 최초의 책으로서, 현대 물리학이 시간에 대해 무엇을 알고 무엇을 모르는지를 상세히 설명한다. 뮬러는 실험을 통해 시간의 처음과 끝을 연구한 바 있다. 그는 빅뱅 후 50만 년경 아기 우주가 방출한 우주 마이크로파 배경복사를 관측함으로써 ‘시간의 처음’을 측정했고, 초신성 관측을 통해 우주의 가속 팽창을 발견함으로써 ‘시간의 끝’(빅 크런치)은 없을 것임을 밝혔다. 그는 ‘지금’을 인간의 자유의지가 행사될 수 있는 유일한 순간으로 규정함으로써 물리학뿐 아니라 철학에도 중요한 함의를 가지는 주장을 펼친다.

저자소개

저자 : 리처드 뮬러
미국의 실험물리학자. UC 버클리 물리학과 교수. 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL) 수석과학자.
1944년 뉴욕에서 태어났다. 컬럼비아 대학교를 거쳐 UC 버클리에서 물리학 박사학위를 받고, 1978년부터 UC 버클리 교수로 재직하고 있다. 대학원생 때 노벨상 수상자인 루이스 앨버레즈의 제자로 입자물리학 실험들을 시작해 가속질량분석기(AMS) 등을 개발했다.
이후 천체물리학으로 관심을 옮겨 우주 마이크로파 배경복사의 비등방성을 최초로 측정했으며(이 프로젝트를 계속 추진한 동료 조지 스무트는 2006년 노벨물리학상을 받았다), 초신성 실시간 탐사 프로젝트를 기획했다(이 연구를 이어받은 제자 솔 펄머터는 우주의 가속 팽창과 암흑에너지를 발견해 2011년 노벨물리학상을 수상했다).
지구물리학에도 관심을 갖고 지구자기장 역전, 빙하 주기, 운석 충돌과 생물 멸종 등을 연구했으며, 특히 딸 엘리자베스와 함께 비영리단체 ‘버클리 지구’를 설립하여 지표면 온도의 장기 기록을 분석함으로써 지구온난화의 증거를 검토했다. 2011년 미 의회 과학기술위원회에 출석해 “데이터가 전반적인 지구온난화 경향을 보여주며, 인간이 거의 전적인 원인”이라는 유명한 증언을 했다.
미 국방부 과학자문단(JASON)의 일원으로 활동했으며, 다양한 물리학 분야에서 중요한 발견과 발명을 이끈 독창적이고 혁신적인 연구들을 한 공로로 앨런 워터만 상, 맥아더 펠로우십 등을 수상했다.
뮬러는 탁월한 실험과학자일 뿐 아니라 뛰어난 교사이기도 하다. 과학 비전공 학생들을 대상으로 복잡한 수식 없이 현대 물리학의 요체를 알려주는 그의 ‘미래 대통령을 위한 물리학’ 강의 시리즈는 학생들이 뽑은 최고 명강의에 선정되었고, 유튜브로 공개돼 과학 강의로는 이례적인 인기를 끌었다.
주요 저서로 《대통령을 위한 물리학》 《대통령을 위한 에너지 강의》 《리처드 뮬러의 그림으로 배우는 물리학》 《미래의 리더들을 위한 과학 입문》 등이 있다.

역자 : 장종훈
카이스트 물리학과를 거쳐 동 대학원에서 레이저 광학을 전공하였고, 삼성전자에서 재직하다 현재는 네덜란드로 이주하여 ASML에서 반도체 노광장비를 설계하고 있다. 과학과 기술이 세상에 미치는 영향에 관심이 많아 지인들과 함께 토론 클럽 ‘프로젝트 스타’를 운영하였다. 옮긴 책으로는 《대통령을 위한 물리학》 《대통령을 위한 에너지 강의》 《리처드 뮬러의 그림으로 배우는 물리학》 《물리학 패러독스》 등이 있다.

역자 : 강형구
서울대학교 인문대학 철학과에서 과학철학을 공부하고, 서울대학교 자연대학 과학사 및 과학철학 협동과정에서 〈라이헨바흐의 ‘구성적 공리화’?그 의의와 한계〉로 이학 석사학위를 받았다. 20세기 전반기에 활동한 논리경험주의자 한스 라이헨바흐의 과학철학을 집중적으로 연구하고 있다. 현재 국립대구과학관에서 근무하며, 박사학위 논문을 준비 중이다. 옮긴 책으로 한스 라이헨바흐의 《양자역학의 철학적 기초》 《상대성이론과 선험적 지식》 《원자와 우주》 등이 있다.

감수 : 이해심
충남대학교 물리학과 명예교수로 펜실베이니아대학교 물리학과에서 박사학위를 받았다. 옮긴 책으로 《살아 있는 우주》 《물리학의 문제들》 《아인슈타인이 옳았는가?》 등이 있다.

목차

머리말
1부 시간의 놀라움
1 얽혀 있는 수수께끼
2 동심으로 돌아간 아인슈타인
3 동에 번쩍 서에 번쩍 하는 ‘지금’
4 모순과 역설
5 광속이라는 속도 제한과 허점
6 허수 시간
7 무한, 그 너머

2부 부러진 화살
8 혼란의 화살
9 엔트로피의 신비를 벗기다
10 혼란스러운 엔트로피
11 시간을 설명하다
12 있을 법하지 않은 우리 우주
13 밀려오는 우주
14 시간의 종말
15 엔트로피 버리기
16 대안적 화살들

3부 유령과도 같은 물리학
17 죽어 있으면서도 살아 있는 고양이
18 양자 유령을 간지럽히다
19 위협 받는 아인슈타인
20 시간 역행 이동이 관측되다

4부 물리학과 실재
21 물리학을 넘어서
22 나는 생각한다, 따라서 존재한다
23 자유의지

5부 지금
24 4차원 빅뱅
25 지금의 의미

부록1 상대성이론의 수학
부록2 시간과 에너지
부록3 √2가 무리수라는 것의 증명
부록4 창조
부록5 불확정성의 수학
부록6 물리학과 신


감사의 말
옮긴이의 말
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책 속으로

출판사 서평

풀리지 않는 물리학의 최대 수수께끼 시간은 흐르는가, 흐르지 않는가 “만약 누가 나에게 묻지 않는다면 나는 알고 있다. 만약 내가 설명하려고 한다면 나는 모른다”라는 아우구스티누스의 말처럼, 시간은 인류의 오랜 수수께끼다. 시간, 그중에서도 특히 ...

[출판사서평 더 보기]

풀리지 않는 물리학의 최대 수수께끼
시간은 흐르는가, 흐르지 않는가
“만약 누가 나에게 묻지 않는다면 나는 알고 있다. 만약 내가 설명하려고 한다면 나는 모른다”라는 아우구스티누스의 말처럼, 시간은 인류의 오랜 수수께끼다. 시간, 그중에서도 특히 ‘지금’은 누구나 알고 있지만, 그 의미를 정확히 정의하기란 어렵다. ‘지금’을 가리키는 순간, 그것은 더 이상 ‘지금’이 아닌 과거가 되어버린다. 끊임없이 흐르고 매 순간 새로 생겨나는 이 덧없는 시간 때문에 괴로워하기는 아인슈타인도 마찬가지였다. 처음으로 시간을 물리학의 영역으로 끌어들인 아인슈타인은 “‘지금’의 대한 경험은 과거와 미래와는 다른, 인간에게 매우 특별한 뭔가를 의미”하지만, “이 중요한 차이가 물리학 안에서는 나타나지도 않고, 나타날 수도 없다”는 데 낙담했다.
‘지금’의 의미와 짝을 이루는 시간의 또 하나의 수수께끼는 ‘시간의 흐름’이다. 시간은 계속해서 움직이고 흘러가는데, 이는 ‘지금’의 의미가 계속해서 변한다는 사실로 보아 명백하다. 그렇다면 시간의 흐름이란 곧 ‘지금’의 움직임인가, 아니면 시간이 ‘지금’을 거쳐서 흘러가는 것인가, 혹은 새로운 시간이 매 순간 생겨나는 것이 ‘지금’인가? 시간이 멈추거나 혹은 느려지거나 빨라지거나 혹은 불규칙하게 흐른다면 우리는 그 변화를 알아챌 수 있는가? 왜 시간은 뒤가 아니라 앞으로만 흐르는가?

현대 실험물리학자가 말하는
‘지금’이란 무엇이고, 시간은 왜 흐르는가?
이러한 현기증 나는 질문들은 아우구스티누스에서 아인슈타인에 이르기까지 수많은 철학자, 성직자, 현대 물리학자들을 괴롭혔다. 일부 물리학자들은 ‘지금’의 의미와 시간의 흐름을 이해하려는 시도를 포기하고, 그것을 전혀 포함하지 않는 ‘시공간 다이어그램’에 만족했으며, 물리학은 ‘시간과 관계없이’ ‘시간을 초월한’ 실재의 법칙을 다루어야 하며, 시간의 흐름이란 의식이 만들어낸 허상, 환영에 불과하다고 외면했다.
하지만 저명한 실험물리학자인 리처드 뮬러는 여기에 이의를 제기한다. ‘지금’은 누구나 지각할 수 있는 실재하는 현상이며, 물리학은 측정 가능하지 않다고 해서 그것의 실재성을 부정해서는 안 되고 설명해야 한다고 주장한다. 그리고 그는 20세기 물리학이 이루어낸 위대한 진보들에 힘입어 비로소 ‘지금’을 이해할 수 있는 희망이 생겼다고 말한다.
“‘지금’을 이해하는 데에는 상대성이론, 엔트로피, 양자물리학, 반물질, 시간여행, 얽힘, 빅뱅, 암흑에너지에 대한 지식이 필요하다. 비로소 지금에 이르러서야 우리는 ‘지금’을 이해하는 데 필요한 모든 물리학 지식을 손에 넣었다.”
뮬러는 상대성이론에서 열역학, 빅뱅 이론에서 양자물리학까지 현대 물리학의 주요 성취들을 되짚으며 ‘지금’이라는 시간의 퍼즐을 하나하나 맞춰간다. 그 과정에서 엔트로피와 물리주의 같은 잘못 맞춰진 퍼즐조각들을 빼낸 후, 마침내 ‘4차원 빅뱅’이라는 검증 가능한 독자적인 설명을 제시한다.
뮬러는 실험을 통해 시간의 처음과 끝을 연구한 바 있다. 그는 빅뱅 후 50만 년경 아기 우주가 방출한 우주 마이크로파 배경복사를 관측함으로써 ‘시간의 처음’을 측정했고(이 프로젝트를 계속 추진한 조지 스무트는 2006년 노벨물리학상을 받았다), 초신성 관측을 통해 우주의 가속 팽창을 발견함으로써 ‘시간의 끝’(빅 크런치)은 없을 것임을 밝혔다(이 연구를 이어받은 제자 솔 펄머터는 2011년 노벨물리학상을 받았다).
이 책은 이론가가 아닌 실험물리학자가 시간에 대해 본격적으로 논한 최초의 책으로서, 현대 물리학이 시간에 대해 무엇을 알고 무엇을 모르는지를 상세히 설명한다. 뮬러는 물리학이 우리의 직관에 어긋나는 시간의 이상한 성질들에 대해 많은 것을 알아냈음에도, 여전히 시간이 무엇이며 실재와 어떤 관련이 있는지에 대해 모르는 것이 많음을 솔직히 인정하고, ‘지금’을 인간의 자유의지가 행사될 수 있는 유일한 순간으로 규정함으로써 물리학뿐 아니라 철학에도 중요한 함의를 가지는 주장을 펼친다.


아인슈타인, 물리학에 실험 가능한 시간을 선물하다
아인슈타인은 이제까지 당연시되었던 시간을 생각하는 방식에 근본적인 의문을 던짐으로써 물리학에 시간을 선물했다. 아인슈타인의 상대성이론은 우리가 어떤 좌표계를 기준으로 삼느냐에 따라 시간이 달라진다는 것, 중력과 속도에 의해 시간이 늘어나고 길이가 줄어들고 사건의 순서가 역전되기도 한다는 것을 처음으로 알려주었다.
상대성이론은 단순히 추상적인 이론이 아니라 저자와 같은 실험물리학자에게는 일상적으로 접하는 실재하는 현상이다. 저자는 ‘파이온’이나 ‘뮤온’ 같은 방사성 입자들을 광속의 0.9999988배로 가속해 양성자와 충돌시키면 정지 상태의 입자보다 반감기가 637배나 길어지는 것을 측정했는데, 이는 상대성이론이 예측한 값과 정확히 일치했다(파이온의 반감기는 26나노초로 사람에게는 극히 짧은 시간이지만, 아이폰에게는 36번의 기초연산을 할 수 있는 시간이다). 빠르게 움직이는 물체에서 시간이 더 느리게 흐른다는 것은 우리가 흔하게 이용하는 GPS에서도 확인된다. 초속 3.86킬로미터로 궤도를 도는 GPS 위성은 ‘시간 지연’ 효과로 하루에 7,200나노초씩 느려진다. 상대성이론의 계산을 통해 보정해주지 않으면 하루 2.25킬로미터씩 잘못된 위치정보를 주게 된다.
상대성이론은 두 사건이 하나의 좌표계에서는 동시에 일어나는 듯 보여도, 다른 좌표계에서는 동시가 아닐 수 있다는 등의 ‘역설’로 많은 사람들을 어리둥절하게 만들었다. 그러한 역설 가운데 하나인 ‘타키온 살인’을 간단히 살펴보자.
메리가 빛보다 빠른 가상의 입자 ‘타키온’을 총으로 쏘아 존을 살해한다. 메리는 지구 좌표계가 아닌 광속이 절반인 좌표계에서 재판을 받겠다고 신청한다(빛보다 느린 좌표계는 상대성이론에 모순되지 않는다). 지구 좌표계에서 두 사건의 시간 간격은 양의 값을 갖지만, 광속이 절반인 좌표계에서는 음의 값을 갖는다. 음의 값이란 곧 두 사건의 순서가 역전됨을 의미한다. 즉 지구 좌표계에서는 메리가 총을 쏜 다음 존의 죽음이 일어나지만, 광속이 절반인 좌표계에서는 발사보다 심장을 꿰뚫리는 게 먼저 일어난다. 메리가 총을 쏘기도 전에 존은 이미 죽었으므로 메리는 무죄가 된다.
타키온 살인 역설에 대한 한 가지 설명은 이러한 물리학이 지배하는 세계에서는 자유의지는 없고 모든 것은 결정되어 있다는 것이다. 존이 죽는 것, 메리가 총을 쏘는 것은 순서와 상관없이 모두 일어나는 것이 불가피한 사건들이며, 따라서 둘은 그렇게 하는 것 외에 다른 선택이 없다는 것이다. 그러나 뮬러는 다행히도 타키온과 같은 입자는 아직 발견되지 않았으며, 이러한 사실이 자유의지가 존재한다는 것을 반증 가증하게 해준다고 강조한다.

엔트로피로는 ‘시간의 흐름’을 설명할 수 없다
‘무엇이 시간을 흐르게 하는가?’ ‘왜 시간은 과거에서 미래로만 흐르고, 그 역은 불가능한가?’ 이 물음에 대해 현재 물리학이 가지고 있는 유일한 대답은 엔트로피가 증가하기 때문이라는 것이다. 다른 물리학에는 시간의 방향을 지시하는 것이 아무것도 없다. 입자나 천체의 운동 영상을 바로 틀든, 거꾸로 틀든 우리는 차이를 느낄 수 없다. 하지만 찻잔이나 달걀이 부서지는 영상을 거꾸로 튼다면 우리는 그와 같은 일은 있을 법하지 않다는 것을 바로 안다. 우주의 무질서도는 시간의 흐름에 따라 증가할 뿐이다. 오직 ‘열역학 제2법칙’만이 증가라는 한 가지 방향을 가리킨다. 따라서 두 순간 중 어느 것이 먼저인가를 알아내는 방법은 간단하다. ‘둘의 엔트로피를 측정하라. 더 적은 쪽이 먼저다.’ 이에 힘입어 1920년대에 아서 에딩턴은 엔트로피의 증가가 시간의 방향을 결정한다는 ‘시간의 화살’ 이론을 주장했다.
하지만 엔트로피에 의한 시간 설명은 우리 우주가 고도로 조직화되어 있다는 사실을 가리킬 뿐이다. 우리 우주의 온도는 균일하지 않고, 모든 물질은 거대한 빈 공간에 둘러싸여 고도로 밀집되어 있다. 그리하여 열이 흐르고 물질이 부서져 텅 빈 공간으로 흩어질 확률, 엔트로피가 증가할 확률, 좀 더 무질서해질 확률이 높은 것이다. 만일 우주가 무한히 오래되었고 엔트로피가 증가할 무한한 시간이 있었다면, 이미 엔트로피는 최대치에 이르렀을지 모른다.
허블과 르메트르의 빅뱅 이론은 우리 우주가 그토록 잘 조직화된 이유가 상대적으로 어리기 때문이라고 설명했다. 불과(?) 140억 년 전에 폭발이 일어났고, 그때 팽창한 것은 물질이 아니라 공간 자체였으며, 지금도 팽창이 계속되고 있다. 엔트로피는 증가하지만 공간이 계속 팽창하기에 우주는 최대 엔트로피 상태에 도달하지 않을 수 있다. 이후 과학자들이 폭발의 잔여물인 우주 마이크로파 배경복사를 관측함으로써 빅뱅은 이론이 아닌 증명된 사실이 되었다. 뮬러가 직접 기획한 연구들은 우주 마이크로파 배경복사의 비등방성을 보여주었고, 우주 공간을 가득 채우고 있는 암흑에너지에 힘입어 우주의 팽창이 가속되고 있다는 놀라운 사실도 알아냈다. 이제 빅 크런치는 없을 것이며, 우주는 영원히 팽창할 것이고, 시간 역시 계속될 것임을 우리는 안다.
그렇다면 에딩턴의 ‘시간의 화살’은 옳았는가? 뮬러는 에딩턴의 이론이 이제까지 한 번도 실험으로 검증되지 않았고, 어떠한 예측도 제시하지 않았다고 말한다. 예측하지 않기에 반증될 수 없는 이론을 보통 ‘사이비 이론’이라고 부른다. 사실, 열역학 제2법칙은 과학법칙이라기보다는, 확률이 높은 사건은 낮은 사건보다 더 잘 일어난다는 동어반복에 불과하다. 엔트로피의 증가와 시간의 흐름은 상관관계가 있을 뿐 인과관계는 없다. 우주의 엔트로피는 국소적으로 감소하기도 하는데, 그때 시간의 흐름이 느려지는가?
최근 발견된 ‘힉스 메커니즘’도 에딩턴의 이론을 반박한다. 이 설명에 따르면, 초기 우주의 모든 입자는 질량이 없었다(이후 우주가 진화하면서 힉스 메커니즘에 의해 질량을 획득한다). 따라서 우주가 팽창하더라도 엔트로피는 증가하지 않는다. 만일 엔트로피의 증가가 시간의 화살을 결정한다면, 초기 우주는 시간의 화살을 쏘지 못한 채 영원히 멈추어야 했을 것이다. 하지만 시간은 흘렀고, 우주는 팽창했으며, 입자들은 질량을 가지게 되었다. 그렇다면 엔트로피의 증가가 시간의 방향을 결정하는 것이 아니라 사실은 정반대, 시간의 흐름이 엔트로피를 증가(국소적으로 감소)시키는 것이 아닐까?

양자물리학과 불확정성
뮬러는 시간의 흐름을 설명하는 더 나은 이론적 대안으로서 ‘양자 화살’과 ‘우주론적 화살’을 든다. 양자 화살이란 곧 20세기 물리학에 혁명을 가져온 양자물리학의 시간 설명이다.
양자물리학은 실제 세계가 ‘파동함수’라는 유령과도 같고, 빛보다 빠르게 붕괴하며, 원리상 정확히 측정할 수 없고, 그저 확률만을 예측할 수 있는 어떤 것에 의해 기술된다고 여긴다. 매우 신비롭게 들리지만, 양자이론은 우리가 사용하는 스마트폰과 컴퓨터의 설계에도 응용되고, 예측값과 관측값이 소수점 열째자리까지 일치하는 이제까지 알려진 물리학 이론 중 가장 성공적인 이론이다.
오늘날 양자물리학의 기본 관점인 ‘코펜하겐 해석’에 따르면, 한 입자의 위치 측정은 순간적으로 수광년 떨어져 있는 다른 입자의 진폭에 영향을 미친다. 따라서 우리는 입자의 미래 위치를 정확하게 예측할 수 없다. 아인슈타인은 이러한 ‘유령 같은 원격작용’을 불합리하다고 여기고 ‘숨은 변수’를 도입해 이를 설명하려고 했다. 하지만 1972년 스튜어트 프리드먼과 존 클라우저가 칼슘 원자에서 방출된 광자의 편광을 측정한 기념비적인 실험 결과를 발표했다. 애초에 이들은 코펜하겐 해석이 틀렸고 숨은 변수가 존재함을 증명하고자 했다. 그러나 결과는 정반대였다. ‘유령 같은 원격작용’은 실재했고, 이인슈타인이 틀렸다! 멀리 떨어진 두 입자가 동일한 파동함수를 공유하고, 하나의 입자를 탐지하는 것이 다른 입자에 즉각 영향을 미치는 이 ‘양자 얽힘’ 현상은 양자물리학의 불확정성 원리를 확인해준다. 양자물리학은 물리학이 불완전하고, 과거가 미래를 완전히 결정하지는 않음을 인정한다.
한편, 상대성이론과 양자물리학을 통합하려고 시도했던 폴 디랙은 진공이 사실은 텅 빈 것이 아니라 음의 질량을 가진 ‘음-에너지의 전자들’로 가득 차 있다고 예측했다. 놀랍게도 디랙이 ‘반전자’라고 부른 이 반물질은 1932년 칼 앤더슨의 실험에서 발견되었고, ‘양전자’라고 명명되었다(양전자는 오늘날 PET 같은 의료기기에도 이용된다). 하지만 파인만은 디랙 방정식의 음의 부호를 음-에너지가 아니라 양의 에너지와 음의 시간의 결합으로 볼 것을 제안했다. 양전자는 사실 시간을 거슬러 움직이는 전자라는 것이다. 이러한 전자의 ‘시간 역행 이동’은 아직 이론일 뿐이지만(호킹은 이것이 미시세계에서만 가능하고 인간이 속한 거시세계에서는 불가능하다고 믿었다), 시간여행과 인과성, 자유의지에 대한 우리의 생각을 자극한다.

스티븐 호킹 《시간의 역사》를 잇는
독창적이며 검증 가능한 시간에 대한 4D 빅뱅 이론
뮬러는 시간에 관한 물리학의 여러 이론을 살펴본 후, ‘우주론적 화살’이라는 자기만의 이론을 제시한다. 빅뱅은 4차원 시공간의 폭발이었다. 즉 빅뱅이 일어났을 때 공간뿐 아니라 시간도 생겨났다. 우주가 계속 팽창하면서 새로운 공간을 만들어내듯이 새로운 시간 역시 만들어낸다. 팽창하는 시간의 최전선, 끝 모서리가 바로 우리가 ‘지금’이라 부르는 순간이며, 끊임없이 생성되는 새로운 ‘지금들’이 시간의 흐름을 구성한다. 시간의 화살은 우주의 엔트로피에 의해서가 아니라 빅뱅 그 자체에 의해서 설정된다.
에딩턴과 달리, 뮬러는 자신의 이론을 검증할 수 있는 방법도 제시한다. 우주의 팽창이 가속되고 있다는 사실은 시간 역시 가속되고 있음을 의미한다. 오늘의 시계가 어제의 시계보다 빨리 간다는 ‘우주론적 시간 가속’을 어떻게 탐지하고 측정할 수 있을까?
첫째, 멀리 있는 은하가 보이는 적색이동은 공간의 팽창 때문이기도 하지만 시간의 지연 효과 때문이기도 하다. 거리의 변화율을 정확히 측정한다면, 적색이동 중 어느 정도가 우주론적 시간 지연에 의한 것인지를 알 수 있을 것이다.
둘째, 인플레이션 이론은 빅뱅의 순간 우주가 빛의 속도보다 빠르게 급팽창했다고 주장한다. 그렇다면 그 순간 시간 역시 급팽창했을 것이다. 빅뱅 이후 최초의 100만 분의 1초에 방출된 중력파와 배경복사의 편광분포를 관측한다면 시간의 인플레이션을 확인할 수 있을 것이다.
셋째, ‘4차원 빅뱅 이론’에 따르면 두 개의 블랙홀이 충돌해 붕괴할 때 국소적으로 새로운 시간이 생겨나야 하고, 충격파의 뒷부분에서 시간 지연이 관측되어야 한다. 2016년 라이고(LIGO, 레이저 간섭계 중력파 관측소)가 관측한 한 개의 중력파로는 이론을 검증하기에 정확도가 떨어지지만, 이러한 신호가 앞으로 더 많이, 더 강하게 탐지된다면 뮬러의 혁신적인 이론은 확증되거나 반증될 것이다.

물리학은 자유의지의 가능성을 배제하지 않는다
이제까지 물리학은 ‘지금’도, 시간의 흐름도 없는, 시간의 변화량만이 존재하는 시공간 다이어그램에 만족했다. 심지어 그것들을 실재의 이해에 아무런 도움이 되지 않는 의미 없는 개념, 환상으로 해석하기까지 했다. “측정할 수 없는 것, 수량화할 수 없는 것은 존재하지 않는다”는 믿음을 ‘물리주의’라고 한다. 뮬러는 과학이 물리주의라는 도그마에 빠질 때 종교가 될 수 있다고 경고한다.
아인슈타인을 비롯한 일부 과학자들은 물리학이 완전해야 한다고 믿었고, 과거가 미래를 완전히 결정할 수 있고 그래야만 한다고 가정했다(연장선상에서 물리주의자들은 자유의지를 부정했다). 하지만 물리학은 완전하지 않다. 양자물리학이 알려주듯이, 물리학은 정확한 예측을 할 수 없고 오직 확률을 추정할 수 있을 뿐이다. 물리학이 기본 도구로 삼는 수학도 괴델에 의해 그 불완전성이 증명되었다. 가 무리수라는 증명이나 색 지각 경험(‘내가 보는 파란색이 당신이 보는 파란색과 같은가?’)처럼 물리적 측정으로는 얻을 수 없는 많은 ‘비물리적 지식들’이 엄연히 존재한다.
현대 물리학은 과거가 완전히 미래를 결정한다는 가정을 지지하지 않으며, 자유의지의 가능성을 결코 배제하지 않는다(타키온 같은 입자가 발견된다면 자유의지는 반증될 것이다). 자유의지란 물리적 지식뿐 아니라 비물리적 지식(윤리, 덕, 정의, 공감 등)을 이용하여 가능한 미래 중 하나를 선택하는 능력이다. ‘지금’이 우리에게 특별한 것은 우리가 미래에 영향을 미치고 바꿀 수 있는 유일한 순간, 엔트로피의 방향을 틀어 국소적으로 감소시킬 수 있는 유일한 순간이기 때문이다. 이 국소적 감소가 모든 생명과 문명의 원천이다. 우리는 우주의 엔트로피 증가를 멈출 수는 없지만, 엔트로피에 방향을 부여하고 통제할 수는 있다. 우리는 찻잔을 부술 수도 만들 수도, 전쟁을 시작할 수도 평화를 찾을 수도, 문명을 번성하게 할 수도 쇠퇴하게 만들 수도 있다.

[해외 서평]
“공유될 필요가 있는 너무나 놀라운 생각…… 뮬러는 그럴듯할 뿐 아니라 (방정식들로 가득한 책치고는 놀랍게도) 스포일러하고 싶지 않은 이론을 제시한다.” -- 《타임》

“이 책의 강점은 어려운 개념들을 간단하게 설명하는 뮬러의 강사이자 교사로서의 경험에 있다. 물리학의 정수를 간결하게 이해시켜주는 마스터 클래스.” -- 《사이언스》

“이 책과 보낸 시간은 시간 자체에 대한 독자의 이해를 바꿔놓을 것이다…… 과학의 첨단으로 그리고 그 너머로 향하는 생각을 확장시키는 모험.” -- 《북리스트》

“늦은 밤 생각할 거리를 주는 의식을 확장하는 종류의 책. 시간이라는 주제에 대한 저자의 열정이 페이지마다 빛난다.” -- 《인디펜던트》

“과학은 시간이라는 알 수 없는 수수께끼를 풀 수 있을까? 뮬러는 가능하다고 생각하며, 자연이 시간의 흐름을 어떻게 생성하는지에 관한 명료하고 환기적이고 광범위한 조사를 통해 입증한다.” -- 티모시 페리스(과학작가)

“시간의 기본 성질에 관한 도발적이고 잘 논증된 책. 시간에 관한 가장 중요한 실험들 가운데 일부를 개척했던 실험물리학자인 뮬러는 과학의 한계가 어디인지 잘 알며, 그 경계 가까이에서 그가 해온 연구능력으로 우리의 관심을 사로잡는다.” -- 리 스몰린(이론물리학자)

“뮬러는 시간의 분석에 대단히 신선하고 흥미로운 접근법을 취한다. 예의 그 명료함과 위트로, 확고히 정립된 원리들(각각의 이야기들도 그 자체로 매력적이다)에서 출발해 시간의 흐름과 ‘지금’의 의미에 이르러서 새로운 길을 연다. 논쟁이 예상된다.” -- 솔 펄머터(노벨 물리학상 수상자)

“리처드 뮬러는 최고의 물리학자이지만 언제나 지적으로 안주하지 않는다. 바로 이것이 우리 자신에 대한 그리고 우리와 우주의 관계에 대한 혁신적인 아이디어를 낳는 힘과 어우러져 강력과 조합을 이룬다. 이 책에서 뮬러는 시간 자체가 어떻게 창조되고 소멸되는지에 관한 가설을 제시한다. 그것은 맞을 수도 있고, 틀릴 수도 있다. 하지만 그 과정에서 그는 우리에게 시간이 무엇이며, 우리가 왜, 어떻게 지금과 같은 방식으로 시간을 지각하는지에 관한 대가다운 설명을 제공한다.” -- 닐 디그래스 타이슨(천체물리학자)

“놀랄 준비가 되었는가? 시간과 상대성이론이라는 주제는 그저 이론에 불과한 것처럼 들린다. 이 책을 읽고 GPS 위성이 끊임없이 시간 지연을 메워야 한다는 사실을 깨닫기 전까지는(그러지 않으면 GPS는 우리에게 1.5마일가량 부정확한 위치를 전송할 것이다). 뮬러의 물리학에 대한 열정은 독자를 시공간, 엔트로피, 휘어진 공간, 광속 허점, 그 자신은 별로 탐탁지 않아 하는 끈 이론 같은 복잡한 생각들로 이끈다. 《캘빈과 홉스》 같은 만화, 〈터미네이터〉 같은 영화 자료가 ‘엔트로피=klogW’ 같은 방정식들과(그러나 독자를 두렵게 만들지는 않으며) 나란히 제시된다. 최고의 논픽션 책들은 우리의 지식을 넓혀주지만, 이 책은 소위 실재에 대해 우리가 실제로 어떻게 생각하는지를 확장함으로써 한 단계 더 멀리 데려간다. 뮬러의 물리학에 대한 애정은 이 학문과 무관하고자 하는 이들조차 매료시킬 것이며, 더욱 매력적인 것은 우주의 작동방식에 대해 우리가 현재 알고 있는 정도에 대한 그의 겸손이다. “나는 발견해야 할 중요한 것들이 아직 남아 있다는 추론에 우리가 기뻐하리라 생각한다.” 이 책에서 독자는 생각을 넓혀주고 다음에 있을 놀라운 발견에 대비할 많은 것을 발견할 것이다.” -- 아마존

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책 속 한 문장

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  • 나우 시간의 물리학 | sd**jh | 2019.07.16 | 5점 만점에 5점 | 추천:0
    ‘지금’은 무엇인가? 나와 같은 일반인이 ‘지금, Now’에 대해 알기 위해서는 우선 몇 가지 물리학 지식들에 대한 이해가 선행되어야 한다. 상대성 이론, 엔트로피, 양자물리학, 반물질, 과거를 향한 시간여행, 얽힘과 빅뱅 그리고 암흑에너지에 대한 지식들이 우리가 ‘지금’을 이해하는데 필요한 퍼즐 조각이다. 저자는 수많은 과학지식 중 시간에 대한 퍼즐 조각을 추려내 잘 나열하는 동시에, 잘못 끼워진 퍼즐 조각을 찾아 빼내기도 하는 거쳐야 비로소 온전한 모양의 퍼즐이 완성 될 것이라고 말한다. ...

    지금은 무엇인가? 나와 같은 일반인이 지금, Now’에 대해 알기 위해서는 우선 몇 가지 물리학 지식들에 대한 이해가 선행되어야 한다. 상대성 이론, 엔트로피, 양자물리학, 반물질, 과거를 향한 시간여행, 얽힘과 빅뱅 그리고 암흑에너지에 대한 지식들이 우리가 지금을 이해하는데 필요한 퍼즐 조각이다. 저자는 수많은 과학지식 중 시간에 대한 퍼즐 조각을 추려내 잘 나열하는 동시에, 잘못 끼워진 퍼즐 조각을 찾아 빼내기도 하는 거쳐야 비로소 온전한 모양의 퍼즐이 완성 될 것이라고 말한다. <o:p></o:p>

    이 책은 시간에 대한 올바른 이해를 위해 현재의 물리학적 지식을 되짚어보고 다른 시각으로 수정되어야 할 것들을 제시하면서 종국에는 시간이 흐르는 것에 대해, ‘지금은 과연 무엇인지에 대한 답을 찾아간다. 책의 저자 리처드 A. 뮬러는 실험물리학을 전공한 미국의 과학자인 동시에 과학 비 전공 학생들에게 복잡한 수식 없이 현대 물리학을 이해할 수 있도록 강의를 하는 교수로도 유명하다. 그래서 평생 문과인 내가 이 책을 흥미롭게 접할 수 있었나 보다. 물론 부록에 실린 수식은 완벽히 이해하고 계산해 볼 수 있는 것들이 아니었으나, 좀 더 깊은 물리학의 세계에 빠지고 싶다면 읽기를 추천한다. 하지만 여느 책의 부록들이 그러하듯 본문의 내용만으로도 작가가 전달하는 지금의 물리학적 의미를 이해하는데 어려움은 없다. <o:p></o:p>

    책은 다섯 가지로 나누는데, 1부에서는 아인슈타인의 상대성 이론과 4차원 공간 등 이미 검증된 시간의 성질에 대해 다룬다. 기준 좌표계, 고유좌표계, 마이컬슨-몰리 실험, 엠씨스퀘어, 등가원리 등 개념의 이해부터 과거의 평가와 현재의 논란까지 잘 설명하고 있다. 그래서 시간의 흐름은 어떤 위치에서 속도와 중력에 따라 달라지며 사건의 순서마저 누구에게나 같지 않다는 것을 알게 된다. 2부는 시간의 방향성에 대한 잘못된 이론을 끄집어 낸다. 에딩턴은 시간의 화살에 엔트로피 증가를 부여함으로 과거는 미래를 결정한다고 주장했지만 이는 시공간 다이어그램에 대한 잘못된 해석이다. 저자가 에딩턴의 시간의 화살에 대해 부정하고, 그 대안으로 양자물리학 또는 빅뱅에 의한 새로운 시간의 생성을 제시했는데 이를 검증하는 과정은 아직 남았으나 결국은 에딩턴이 틀렸다는 것은 시험을 통해 검증되었음을 말한다. 3부는 양자물리학을 다룬다. 측정하기 전까지는 고양이는 살아있기도 하고 죽어있기도 한다는 슈뢰딩거 방적식의 양자파동은 유령 같은 양상이다. 양자이론은 상대성 이론을 위반하지만 오직 측정 불가능한 파동함수만 상대성 이론을 위반하는 구조이다. 아직 파동함수 없이 계산할 수 있는 방법을 밝히지는 못했지만 양전자의 얽힘의 실험 결과는 검증되었고 이는 더 이상 과거가 미래를 완벽하게 결정하진 않는다는 증거이다. 4부는 물리학의 한계에 대해 말한다. 도킨스의 접근법은 논리의 우월성에 대한 믿음이지만 괴델은 모든 수학적 체계가 증명 불가능한 진리를 가지고 있기에 그러한 진리는 논리의 사용을 통해서는 해결되거나 시험될 수 없다고 한다. 저자는 물리학은 불완전하며 모든 실재를 기술하지 못한다고 말한다.<o:p></o:p>

     5부에서는 앞에서 다룬 지식들을 종합함으로써 왜 우리는 현재 속에 존재한다고 느끼는지, 우리가 지금이라는 부르는 시간에 대해 결론짓는다. 빅뱅이론을 바탕으로 우주는 매 순간 조금씩 커지고 시간은 좀 더 많아지며 지금은 확장되는 시간의 앞 모서리를 말한다. 특수 상대성 이론에서의 동시성은 다르지만, 우리가 현재에 속한다고 느끼는 것은 과거가 미래에 반드시 영향을 끼치는 것이 아니라 자유 의지를 행하는 지금이 미래에 영향을 끼칠 수 있는 가능성이 있기 때문이다. 자유의지의 존재를 증명할 수는 없지만 물리학이 양자 불확정성을 포함하면 이를 부정할 수 없다. 물리적으로 특정 종류의 불확정성의 원리가 작용하면 미래가 현재에 영향을 미칠 수 있다고 주장도 있지만 저자는 먼 미래가 존재한다고 여기지 않는다. 이러한 시간의 우주론적 기원을 반증하는 방법은 몇 가지 있지만 아직도 측정 실험이 진행 중이다.<o:p></o:p>

    책을 마무리하면서 저자는 상대성 이론과 양자 물리학 사이의 관계 또는 측정의 의미에 대해 좀 더 연구해야 한다고 말한다. 물리학의 발전이 복잡한 수학이나 불가사의한 철학을 필요로 하지 않고 의외로 아주 단순한 예들을 사용해 설명할 수 있을 것이라고 여기며, 어린아이의 마음으로 되돌아가는 것처럼 단순한 실험으로 예상치 못한 결과를 보여줄 것을 기대하며 이 시대의 젊은 학자들을 독려하고 있다. <o:p></o:p>

    책은 시간에 대한 호기심을 충족시켜줄 과학 이론을 이해하는데 도움이 되었고, 현대 물리학에 대한 흥미를 증폭시키는 과학 교양서로 손색이 없다. <o:p></o:p>

  • 나우시간의 물리학 서평 | ma**ang | 2019.06.24 | 5점 만점에 5점 | 추천:0
    '지금 Now'을 이해하는 데에는 상대성이론, 엔트로피, 양자물리학, 반물질, 과거를 향한 시간여행, 얽힘, 빅뱅, 암흑에너지...

    '지금 Now'을 이해하는 데에는 상대성이론, 엔트로피, 양자물리학, 반물질, 과거를 향한 시간여행, 얽힘, 빅뱅, 암흑에너지에 대한 지식이 필요하다. 비로소 지금에 이르러서야 우리는 '지금'을 이해하는 데 필요한 모든 물리학 지식을 손에 넣었다. (머리말 중에)

    책 제목 그대로 이 책은 "지금"이라는 것을 이해하는 과정을 담고 있다. 1부에는 우리가 상식적으로 크로노스적으로 우리 손목에 반짝이는 스마트 워치를 절대적으로 받아들인 우리에게 아인슈타인이 던진 새로운 시간의 성질을 다룬다. 시간은 늘어나고 줄어들고 순서가 뒤죽박죽이다. 상대성이론은 2019년 고2 6월 모의고사에도 출제되었다 (하단에 붙여놓았으나 참고하시길 바랍니다)

    "연인과 함께 보내는 두 시간은 1분 정도로 느껴지겠지만 뜨거운 난로 위에 앉아 있는 1분은 두 시간처럼 느껴질 겁니다--<뉴욕타임즈>"

    시간의 상대성은 최근 번역출간되기도 한, The Order of Time 에 소개되어 있는데 산꼭대기와 해변에 달라지는 시간이 쉽게 소개되어 있다. 지금 당장 짐 꾸려서 해발고도가 가장 낮은데로 이사가야지 않을까 童顔을 유지하고 싶은 분은 참고하시라.


    2부에는 그 유명한 엔트로피와 시간의 관계를 다루고 있다. 엔트로피의 증가가 곧 시간의 흐름을 나타낸다고 예전에 읽었던 듯 한데 본 책은 그와 견해를 달리한다. 나같은 일반인에 입장해서 과학자들의 주장과 그 주장이 오랜 동안 주지되어 왔다면 '맞나보다'라고 생각하게 된다.

    "물리학자들이 엔트로피라고 부르는 양으로 측정되는 우주의 총체적 무질서는 우리가 과거에서 미래로 나아감에 따라 꾸준히 증가한다. 다른 한편, 조직화된 구조들의 복합성과 영속성으로 측정되는 우주의 총체적 질서 역시 우리가 과거에서 미래로 나아감에 따라 꾸준히 증가한다.--프리먼 다이슨" 

    과연 이 주장은 맞는지 필자의 반증을 음미해 보시길 바란다. 

    3부에는 드디어 양자역학이 등장한다. 그 유명한 "나는 신이 주사위를 던지지는 않는다고 확신한다"고 했던 아인슈타인의 편지가 소개되어 있다. 이 책의 장점은 약간의 과학상식을 가진 독자도 충실히 읽어내려 갈 수있는 글이고 좀 더 전문적 내용은 부록에 친절히? 안내하고 있다. 좋은 구성이다. 상대성이론과 양자역학 사이의 모순? 불일치를 어떻게 설명할지도 다뤄지며 우리가 정말 궁금해하는 시간여행도 소개된다. 파인만의 시간역행과 디렉방정식의 디렉도 다 나온다. 

    이제 책을 다시 읽어야겠다.  4부에는 실재라는 개념을 다루는데 이 4부를 읽기 전에 "Reality is Not What It seems"책을 지금 펼쳐 놓았다. 결국 서양문화의 뿌리는 "실재"라는 것을 어떻게 보냐에 있다고 생각한다. 우리의 감각 감관이 부정확하다고 가정하고 그런 우리의 인식을 뛰어넘는 절대적인 불변적인 뭔가를 찾았던 것이 오늘날 과학으로까지 발전해 온 것인데 현대물리학은 여전히 그 "실재" "Being"는 모호하기만 하다. 철학과 과학이 이 지점에서 다시 맞닿아 있다고 생각한다. 이를 정확히 알기 위해서 나는 서양철학의 시작점이 희랍철학의 그 시작에서 다시 공부를 해 나가려고 한다. 

  • (알림: 이 서평은 출판사에서 제공받은 도서를 읽고 작성하였다.)  "시간은 금이다"라는 속담처럼 한 번 지나가면 돌...
    (알림: 이 서평은 출판사에서 제공받은 도서를 읽고 작성하였다.)

      "시간은 금이다"라는 속담처럼 한 번 지나가면 돌아오지 않는 시간은 사람들에게 가장 소중한 자원 중 하나이다. 우리가 사는 우주의 본질적인 질서를 찾아내려는 학문인 물리학에서도 시간은 더없이 중요한 개념이다. 유구히 이어진 시간 속에서 우리는 과거도 아니고 미래도 아닌 현재, '지금 이 순간'을 산다. 그러면서도 '지금'이 무엇인가 물었을 때 선뜻 답을 할 만한 사람은 몇 명이나 될까? 그 이전에 시간이란 무엇이고 그 속에서 지금은 무엇일까?

      리처드 뮬러는 입자물리, 천체물리 등 다방면에서 주목할 연구 성과를 내 온 연구자이면서 노벨상 수상자를 키워낸 교육자로 명성을 쌓아온 실험물리학자이다. 최신간 『나우: 시간의 물리학』에서 그는 상대성이론, 빅뱅 우주론, 열역학과 엔트로피 법칙, 양자물리학 등 근대에서 현대에 이르는 주된 물리학의 성과들을 개관한다. 그를 통해 시간과 '지금'의 의미에 답을 구하려 한다.

      460페이지라는 방대한 분량에 더해 주제 자체가 만만치 않은 까닭에 최초에는 어느 정도 과학 상식이 있는 독자를 대상으로 한 책처럼 읽힌다. 하지만 사이사이 재치 있는 입담과 함께 저자가 내놓는 물음들을 하나하나 같이 숙고하다 보면 뉴턴 시대부터 과학자들을 사로잡아 온 주요한 과학적·철학적 논제들을 생각하고 알아가는 재미를 준다. 현대 물리학의 두 축이자 물리적인 시간을 이해하는 실마리인 상대성이론과 양자물리학은 대중에게 이해하기 쉽게 설명한다는 구실 아래 지나치게 단순화되거나 잘못 이해되는 경우가 많다. 저자는 쌍둥이 역설, 타키온 살인, 슈뢰딩거의 고양이처럼 흥미진진한 예화를 보여주며 흔히 빠지기 쉬운 개념의 함정을 피해 가도록 도와 준다. 수학과 물리학에 배경 지식이 충분한 독자는 부록을 읽고 더 깊이 이해할 수 있게 구성되었다.

      책 사이사이에 그럴싸하지만 터무니없는 진술에 속지 않는 과학적 사고를 배울 만한 대목도 많다. 그런 가운데에도 과학의 한계를 겸허히 인정하는 면모 또한 보인다. 한때 물리학의 법칙을 통합할 궁극 이론으로 각광받았으나 검증될 기미가 보이지 않는 초끈 이론(superstring theory)에는 부정적인 면도 이 책의 특징 중 하나다.

    옥의 티:
    p.214:02 피터 힉스와 프랑수아 앙글레르가 2012년 노벨 물리학상을 → 2013년

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