참세상

출처: Aron Visuals, Unsplash

시간은 현실의 가장 기본적인 특징처럼 느껴진다. 초는 흐르고 하루가 지나가며, 행성의 운동부터 인간의 기억에 이르기까지 모든 것은 하나의 되돌릴 수 없는 방향을 따라 전개되는 것처럼 보인다. 우리는 태어나고 죽는다. 그리고 그 순서는 결코 바뀌지 않는다. 우리는 시간을 기준으로 삶을 계획하고, 집요하게 시간을 측정하며, 과거에서 미래로 이어지는 끊임없는 흐름으로 시간을 경험한다. 시간이 앞으로 흐른다는 사실은 너무나 자명해 보여서 이를 의심하는 것 자체가 무의미하게 느껴질 정도다.

그러나 100년이 넘는 시간 동안 물리학은 시간이라는 것이 실제로 무엇인지 설명하는 데 어려움을 겪어왔다. 이 문제는 단순한 철학적 논쟁이 아니다. 그것은 과학의 가장 깊은 난제들 한가운데 놓여 있다.

현대 물리학은 서로 다르지만 모두 중요한 여러 이론 체계에 의존한다. 하나는 알베르트 아인슈타인의 일반상대성이론으로, 행성과 같은 거대한 물체의 중력과 운동을 설명한다. 또 다른 하나는 양자역학으로, 원자와 입자의 미시세계를 지배한다. 그리고 더 거대한 규모에서는 표준 우주론 모형이 우주의 탄생과 진화를 설명한다. 이 모든 이론은 시간이 필요하지만, 서로 양립할 수 없는 방식으로 시간을 다룬다.

물리학자들이 이 이론들을 하나의 통합된 틀로 결합하려고 시도할 때 시간은 종종 예상치 못하고도 난해한 방식으로 행동한다. 때로 시간은 늘어나고, 때로는 느려지며, 때로는 완전히 사라진다.

실제로 아인슈타인의 상대성이론은 시간에 대한 우리의 일상적 직관을 처음으로 뒤흔든 결정적 타격이었다. 아인슈타인은 시간이 보편적인 것이 아니라고 보여주었다. 시간은 중력과 운동 상태에 따라 서로 다른 속도로 흐른다. 서로 상대적으로 움직이는 두 관측자는 어떤 사건이 동시에 일어났는지에 대해 서로 다른 판단을 내린다. 시간은 탄력적인 존재가 되었고, 공간과 함께 시공간(spacetime)이라 부르는 4차원 구조 속에 엮이게 되었다.

양자역학은 상황을 더욱 기묘하게 만들었다. 양자이론에서 시간은 이론이 설명하는 대상이 아니다. 시간은 단지 주어진 것으로 가정한다. 양자역학 방정식은 시스템이 시간에 따라 어떻게 진화하는지를 기술하지만, 시간 자체는 여전히 외부 매개변수로 남는다. 즉 이론 바깥에 존재하는 배경 시계처럼 작동한다.

이러한 불일치는 물리학자들이 양자 수준에서 중력을 설명하려 할 때 특히 심각해진다. 이는 주요 기본 이론들을 연결하는, 이른바 ‘모든 것의 이론’을 구축하는 데 핵심적이기 때문이다. 그러나 그러한 이론을 만들기 위한 많은 시도에서 시간은 근본 방정식에서 완전히 사라진다. 우주는 변화라는 개념 자체를 포함하지 않는 방정식으로 기술되며, 마치 정지한 상태처럼 보인다.

이 수수께끼를 ‘시간의 문제’라고 부르며, 이는 통합 물리 이론을 구축하는 데 가장 끈질기게 남아 있는 장애물 가운데 하나다. 우주론과 입자물리학이 크게 발전했음에도 우리는 여전히 왜 시간이 흐르는지에 대한 명확한 설명을 얻지 못했다.

그러나 1940년대 클로드 섀넌(Claude Shannon)이 발전시킨 정보이론(information theory)이라는 수학적 틀을 기반으로 하는 비교적 새로운 물리학 접근법이 최근 놀라운 해답을 제시하기 시작했다.

엔트로피와 시간의 화살

물리학자들은 시간의 방향을 설명하려 할 때 흔히 엔트로피라는 개념에 주목한다. 열역학 제2법칙은 무질서가 증가하는 경향을 가진다고 말한다. 유리잔은 떨어져 산산조각 날 수 있지만, 그 파편들이 저절로 다시 원래 형태로 결합하지는 않는다. 이러한 과거와 미래 사이의 비대칭성은 흔히 시간의 화살과 동일시한다.

이 개념은 물리학에 매우 큰 영향을 미쳤다. 이는 왜 많은 과정이 비가역적인지를 설명하며, 우리가 미래는 기억하지 못하면서 과거는 기억하는 이유도 설명한다. 만약 우주가 낮은 엔트로피 상태에서 시작했고, 시간이 흐르며 점점 더 무질서해지고 있다면, 그것이 시간이 앞으로 흐르는 이유를 설명하는 것처럼 보인다. 그러나 엔트로피만으로는 시간의 문제를 완전히 해결하지 못한다.

무질서를 되돌리기 어렵다. 출처: Nigel Hoare, Unsplash+

우선 물리학의 근본적인 양자역학 방정식은 과거와 미래를 구별하지 않는다. 시간의 화살은 오직 많은 입자와 통계적 거동을 고려할 때만 나타난다. 이는 더 깊은 질문도 제기한다. 우주는 왜 처음부터 그렇게 낮은 엔트로피 상태에서 시작했을까? 통계적으로 보면 우주가 높은 엔트로피 상태를 가질 방법이 낮은 엔트로피 상태보다 훨씬 많다. 이는 방이 정돈된 상태보다 어질러진 상태가 될 수 있는 경우의 수가 더 많은 것과 같다. 그렇다면 왜 우주는 그렇게 비개연적인 상태에서 출발했을까?

정보 혁명

지난 수십 년 동안 물리학에서는 조용하지만, 광범위한 혁명이 일어났다. 한때 정보는 상태나 확률을 추적하기 위한 추상적 기록 도구 정도로 취급했지만, 점차 물질이나 복사처럼 그 자체로 물리적 양이라는 사실을 인정하기 시작했다. 엔트로피가 가능한 미시 상태의 수를 측정한다면, 정보는 물리적 상호작용이 그 가능성을 어떻게 제한하고 기록하는지를 측정한다.

이러한 변화는 하루아침에 일어나지 않았다. 그것은 열역학, 양자역학, 중력의 교차 영역에서 등장한 여러 난제를 해결하려는 과정에서 점진적으로 나타났다. 정보를 단순한 수학적 개념으로 취급하면 모순이 발생하기 시작했기 때문이다.

가장 초기의 균열 가운데 하나는 블랙홀 물리학에서 나타났다. 스티븐 호킹은 블랙홀이 열복사를 방출한다는 사실을 보여주었고, 이는 매우 불안한 가능성을 제기했다. 블랙홀로 떨어진 모든 정보가 열 형태로 영구히 사라질 수 있다는 것이다. 그러나 이 결론은 정보 전체가 반드시 보존되어야 한다는 양자역학과 충돌했다.

이 긴장을 해결하는 과정에서 물리학자들은 더 깊은 진실과 마주했다. 정보는 선택적인 개념이 아니다. 양자역학을 포함한 완전한 우주 기술을 원한다면 정보는 결코 사라질 수 없다. 만약 정보가 사라진다면 물리학의 기초 자체가 무너진다. 이러한 깨달음은 거대한 영향을 남겼다. 정보는 열역학적 비용을 가지며, 정보를 지우면 에너지가 소산되고, 정보를 저장하려면 물리적 자원이 필요하다는 사실이 분명해졌다.

동시에 중력과 열역학 사이에서도 놀라운 연결 관계가 등장했다. 연구자들은 시공간 기하를 엔트로피와 정보에 직접 연결하는 열역학 원리로부터 아인슈타인 방정식을 유도할 수 있다는 사실을 보여주었다. 이러한 관점에서 중력은 더 이상 근본적인 힘처럼 행동하지 않는다.

대신 중력은 물리학자들이 말하는 ‘창발(emergent)’ 현상처럼 보인다. 즉 부분들의 단순한 합보다 더 큰 성질이 보다 근본적인 구성 요소들에서 나타난다는 의미다. 온도를 생각해보자. 우리는 모두 온도를 느끼지만, 근본적인 수준에서 단 하나의 입자는 온도를 가질 수 없다. 온도는 근본 속성이 아니다. 그것은 수많은 분자가 집단적으로 운동할 때 비로소 나타나는 현상이다.

마찬가지로 중력도 통계적 과정에서 나타나는 창발 현상으로 설명할 수 있다. 일부 물리학자들은 중력 자체가 정보에서 창발한다고까지 주장한다. 즉 정보가 어떻게 분포하고, 부호화되고, 처리되는지를 반영한 결과라는 것이다.

이러한 생각은 관점을 근본적으로 바꾸도록 요구한다. 시공간을 우선적 실재로 보고 정보를 그 안에 존재하는 요소로 취급하는 대신, 정보가 오히려 더 근본적이며 시공간 자체가 정보로부터 창발한다고 볼 수 있다는 것이다. 이러한 연구를 바탕으로 동료 연구자들과 나는 시공간 자체가 정보를 저장하는 매체처럼 작동하는 틀을 탐구했으며, 이는 시간을 바라보는 방식에 중요한 결과를 가져온다.

이 접근법에서 시공간은 상대성이론이 제시하는 것처럼 완전히 매끄러운 구조가 아니다. 대신 시공간은 불연속적인 요소들로 이루어져 있으며, 각각은 지나가는 입자와 장의 양자 정보를 기록할 유한한 능력을 가진다. 이 요소들은 디지털 의미의 비트(bit)가 아니라 양자 정보를 담는 물리적 운반체이며, 과거 상호작용의 흔적을 기억할 수 있다.

이를 이해하기 쉬운 방식으로 설명하면, 시공간은 기억을 지닌 미세한 셀들로 이루어진 물질과 비슷하다. 결정 격자가 과거에 생긴 결함을 저장하듯, 이러한 미시적 시공간 요소도 자신을 통과한 상호작용의 흔적을 보존할 수 있다. 이들은 표준 입자물리학 모형이 설명하는 일반적 의미의 입자가 아니다. 오히려 입자물리학이 설명하기보다는 그 위에서 작동하는 더 근본적인 물리 구조다.

이 점은 중요한 함의를 가진다. 만약 시공간이 정보를 기록한다면, 현재의 상태는 단지 지금 존재하는 것만 반영하지 않는다. 그것은 과거에 일어난 모든 사건을 함께 반영한다. 더 많은 상호작용을 경험한 영역은 그렇지 않은 영역과 다른 정보 흔적을 가진다. 이 관점에서 우주는 단지 변하는 상태 위에 시간을 초월한 법칙이 적용되며 진화하는 존재가 아니다. 우주는 기억한다.

기록하는 우주

이러한 기억은 단순한 비유가 아니다. 모든 물리적 상호작용은 정보의 흔적을 남긴다. 양자역학의 기본 방정식은 시간을 앞으로도 뒤로도 계산할 수 있지만, 실제 상호작용은 결코 고립된 상태로 일어나지 않는다. 상호작용은 필연적으로 주변 환경과 연결되며 정보를 외부로 누출하고, 발생한 사건의 지속적인 기록을 남긴다. 정보가 더 넓은 환경으로 퍼지고 나면 이를 되돌리기 위해서는 단지 하나의 사건뿐 아니라 그 사건이 초래한 모든 물리적 변화를 역전시켜야 한다. 현실적으로 이는 불가능하다.

이것이 바로 정보가 지워지지 않는 이유이며, 깨진 컵이 저절로 다시 조립되지 않는 이유다. 그러나 그 함의는 훨씬 더 깊다. 원자 충돌 수준이든 은하 형성 규모이든, 모든 상호작용은 우주의 구조 속에 영구적인 흔적을 새긴다.

이 관점에서 기하와 정보는 깊게 연결된다. 우리의 연구는 시공간 곡률이 아인슈타인이 말한 질량과 에너지뿐 아니라 양자 정보, 특히 얽힘(entanglement)이 어떻게 분포하는지에도 의존한다는 사실을 보여주었다. 얽힘은 서로 멀리 떨어진 공간 영역의 입자들을 신비롭게 연결하는 양자 과정이며, 거리와 상관없이 정보를 공유하게 한다. 그리고 이러한 정보적 연결은 물질과 복사가 경험하는 유효한 시공간 기하에 기여한다.

이러한 관점에서 시공간 기하는 단지 특정 순간 존재하는 것에 대한 반응이 아니다. 그것은 과거에 일어난 사건들에 대한 반응이기도 하다. 더 많은 상호작용을 기록한 영역은 평균적으로 더 강한 곡률, 즉 더 강한 중력을 가진 것처럼 행동한다. 반대로 더 적은 상호작용을 기록한 영역은 그렇지 않다.

이러한 재해석은 시공간의 역할 자체를 미묘하게 변화시킨다. 시공간은 더 이상 사건이 펼쳐지는 중립적 무대가 아니다. 시공간은 능동적인 참여자가 된다. 시공간은 정보를 저장하고, 미래의 동역학을 제한하며, 새로운 상호작용이 어떻게 발생할 수 있는지를 결정한다. 이는 자연스럽게 더 깊은 질문으로 이어진다. 만약 시공간이 정보를 기록한다면, 시간은 처음부터 주어진 존재가 아니라 이러한 기록 과정에서 창발하는 것일 수 있을까?

정보에서 창발하는 시간

최근 우리는 이러한 정보 중심 관점을 시간 자체로 확장했다. 우리는 시간을 근본적인 배경 매개변수로 취급하는 대신, 시간적 순서가 비가역적인 정보 각인 과정에서 창발한다는 사실을 보여주었다. 이 관점에서 시간은 물리학에 임의로 추가한 개념이 아니다. 시간은 정보가 물리적 과정에 기록되고, 열역학과 양자물리학의 알려진 법칙 아래에서 그것을 전역적으로 다시 지울 수 없기 때문에 나타난다. 이 아이디어는 단순하지만, 그 함의는 매우 깊다.

모든 상호작용, 예를 들어 두 입자의 충돌은 우주 속에 정보를 기록한다. 이러한 흔적은 계속 축적된다. 그리고 이 정보는 지워질 수 없기 때문에 사건들 사이의 자연스러운 순서를 정의한다. 더 이른 상태는 정보 기록이 적은 상태이고, 더 늦은 상태는 정보 기록이 더 많은 상태다.

양자 방정식 자체는 시간 방향을 선호하지 않지만, 정보가 퍼져나가는 과정은 그렇지 않다. 정보가 한 번 퍼지고 나면 그것이 국소화된 상태로 되돌아갈 물리적 경로는 존재하지 않는다. 따라서 시간적 순서는 방정식 자체가 아니라 이러한 비가역성에 뿌리를 둔다.

이 관점에서 시간은 물리 과정과 독립적으로 존재하는 것이 아니다. 시간은 발생한 사건들의 누적 기록이다. 각각의 상호작용은 새로운 기록을 추가하며, 시간의 화살은 이 기록이 오직 증가만 한다는 사실을 반영한다.

미래가 과거와 다른 이유는 우주가 미래보다 과거에 대한 정보를 훨씬 더 많이 포함하고 있기 때문이다. 이는 특별히 낮은 엔트로피 초기 조건이나 순수한 통계적 논증에 의존하지 않고도 시간의 방향성을 설명한다. 상호작용이 계속 발생하고 정보가 비가역적으로 기록되는 한 시간은 앞으로 나아간다.

흥미롭게도 이렇게 축적된 정보 흔적은 관측 가능한 결과를 남길 수도 있다. 은하 규모에서 잔여 정보 흔적은 추가적인 중력 성분처럼 행동하며, 새로운 입자를 가정하지 않고도 은하 회전을 설명할 수 있다. 실제로 암흑물질이라는 미지의 물질은 은하와 은하단이 가시 질량만으로 설명할 수 있는 것보다 더 빠르게 회전하는 이유를 설명하기 위해 도입했다.

그러나 정보 기반 관점에서 이러한 추가 중력은 보이지 않는 암흑물질에서 비롯되는 것이 아니다. 그것은 시공간 자체가 오랜 상호작용의 역사를 기록했기 때문에 나타난다. 더 많은 정보 흔적을 축적한 영역은 운동과 곡률에 더 강하게 반응하며, 결과적으로 더 강한 중력을 나타낸다. 별이 더 빠르게 공전하는 이유는 더 많은 질량이 존재하기 때문이 아니라, 별이 통과하는 시공간이 과거 상호작용의 더 무거운 정보 기억을 담고 있기 때문이다.

은하는 예상보다 더 빠르게 회전한다. 출처: Arnaud Mariat, Unsplash+

이러한 관점에서 암흑물질, 암흑에너지, 그리고 시간의 화살은 모두 하나의 근본적인 과정, 즉 정보의 비가역적 축적에서 비롯될 수 있다.

시간 검증하기

그러나 우리는 정말 이 이론을 검증할 수 있을까? 시간에 관한 아이디어는 종종 과학이라기보다 철학적이라는 비판을 받는다. 시간은 변화를 설명하는 방식에 너무 깊이 얽혀 있기 때문에, 이를 재해석하려는 시도는 추상적일 수밖에 없다고 쉽게 생각한다. 그러나 정보 기반 접근법은 구체적인 예측을 제시하며, 우리가 관측하고 모델링하며 경우에 따라 실험적으로 탐구할 수 있는 시스템과 직접 연결된다.

블랙홀은 이러한 검증을 위한 자연스러운 시험장이 된다. 블랙홀은 정보가 삭제되는 것처럼 보이기 때문이다. 그러나 정보 기반 틀에서는 사건의 지평선을 넘기 전에 정보가 시공간 속에 각인된다고 이해함으로써 이 충돌을 해결한다. 블랙홀은 정보를 기록한다.

이 점은 시간에 중요한 함의를 가진다. 물질이 블랙홀로 떨어질수록 상호작용은 더욱 강해지고 정보 각인 과정은 가속한다. 고전적인 시공간 개념이 사건의 지평선 근처에서 붕괴하며 멀리 떨어진 관측자에게는 시간이 느려지거나 멈춘 것처럼 보이더라도, 국소적으로는 정보가 계속 기록되기 때문에 시간은 계속 앞으로 나아간다.

블랙홀이 호킹 복사(Hawking radiation)를 통해 증발하더라도 축적된 정보 기록은 사라지지 않는다. 대신 그것은 복사가 방출되는 방식에 영향을 준다. 따라서 복사에는 블랙홀의 역사를 반영하는 미묘한 흔적이 남아 있어야 한다. 다시 말해 방출되는 복사는 완전히 무작위적이지 않다. 그 구조는 시공간에 이전에 기록된 정보에 의해 결정된다. 이러한 흔적을 검출하는 일은 현재 기술 수준을 넘어선다. 그러나 이는 미래 이론 연구와 관측 연구를 위한 분명한 목표를 제시한다.

동일한 원리는 훨씬 더 작고 통제된 시스템에서도 탐구할 수 있다. 양자컴퓨터 실험에서 큐비트(qubit)는 시공간 요소와 마찬가지로 유한한 정보 저장 능력을 가진 정보 셀로 취급할 수 있다. 연구자들은 기본 양자 방정식이 가역적이더라도 정보가 기록되고 퍼지며 복원되는 방식이 실험실에서 유효한 시간의 화살을 생성할 수 있음을 보여주었다. 이러한 실험은 우주론적 혹은 천체물리학적 시스템을 필요로 하지 않고도 정보 저장 한계가 가역성에 어떤 영향을 주는지 검증하게 한다.

같은 틀을 확장한 연구는 정보 각인이 중력에만 제한되지 않을 수 있음을 시사한다. 전자기력과 핵력을 포함한 자연의 모든 기본 힘에서 정보 각인이 역할을 할 가능성이 있다는 뜻이다. 만약 이것이 옳다면 시간의 화살은 단지 중력 상호작용이 아니라 모든 상호작용이 정보를 기록하는 방식에서 비롯된다는 사실을 보여야 한다. 이를 검증하려면 서로 다른 물리 과정에서 가역성이나 정보 복원에 어떤 한계가 존재하는지를 조사해야 한다.

이러한 사례들을 종합하면 정보 기반 시간 개념은 단순한 추상적 재해석이 아니다. 그것은 블랙홀, 양자 실험, 기본 상호작용을 하나의 공통된 물리 메커니즘으로 연결한다. 그리고 우리의 실험 능력이 계속 확장됨에 따라, 이 메커니즘은 탐구하고 제약하며 궁극적으로는 반증할 수도 있는 대상이 된다.

시간은 실제로 무엇인가

정보에 관한 이러한 개념은 상대성이론이나 양자역학을 대체하지 않는다. 일상적인 조건에서 정보 기반 시간은 시계가 측정하는 시간과 거의 동일하게 움직인다. 대부분의 실용적 목적에서는 우리가 익숙한 시간 개념이 매우 잘 작동한다. 차이는 기존 설명이 어려움을 겪는 영역에서 나타난다.

블랙홀 사건의 지평선 근처나 우주 초기 순간처럼 극한 환경에서는 시간을 매끄러운 외부 좌표로 보는 기존 개념이 모호해진다. 반면 정보 기반 시간은 상호작용이 일어나고 정보가 비가역적으로 기록되는 한 항상 명확하게 정의된다.

이 모든 설명은 결국 시간이라는 것이 실제로 무엇인지 다시 생각하게 만든다. 이러한 관점의 변화는 오래된 논쟁 자체를 새롭게 재구성한다. 핵심 질문은 더 이상 시간이 우주의 근본 요소로 반드시 존재해야 하는가가 아니다. 오히려 시간이 더 깊은 근본 과정의 반영인가가 중요해진다.

이 관점에서 시간의 화살은 정보를 기록하고 되돌릴 수 없는 물리적 상호작용에서 자연스럽게 창발한다. 따라서 시간은 물리학과 분리된 신비로운 배경 매개변수가 아니다. 시간은 우주가 자신의 동역학을 통해 내부적으로 생성하는 것이다. 시간은 궁극적으로 현실의 근본 요소가 아니라 정보와 같은 더 기본적인 구성 요소에서 창발한다.

이 틀이 최종 해답이 될지, 혹은 다음 단계로 가기 위한 디딤돌에 불과할지는 아직 알 수 없다. 기초물리학의 많은 아이디어와 마찬가지로, 이 이론 역시 관측과 얼마나 잘 연결되는지에 따라 살아남거나 사라질 것이다. 그러나 이미 이 접근은 매우 인상적인 관점의 전환을 제시한다.

우주는 단순히 시간 속에 존재하는 것이 아니다. 시간은 우주가 스스로에게 끊임없이 기록해가는 과정이다.

[출처] Is time a fundamental part of reality? A quiet revolution in physics suggests not

[번역] 하주영