세상이 뒤집혀도 절대 변하지 않는 진리, 시간은 거꾸로 되돌릴 수 없다

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우리는 매끄러운 식탁에 달걀을 잘 올려두지 않습니다.

달걀이 바닥으로 떨어지면 골치 아픈 일이 생기기 때문이죠.


그런데 왜 우리는 달걀이 깨지는 모습만 볼 수 있고,

깨진 달걀이 다시 원 상태로 돌아오는 현상은 볼 수 없을까요?

뭔가 불합리하다는 생각이 드시지 않나요?


지난 2편에서 언급한 것처럼,

현대 물리학은 깨진 달걀이 다시 완벽한 상태의 달걀로

돌아오는 과정 자체를 허용하고 있습니다.


즉, 과학적으로는 전혀 문제가 되지 않는다는 거죠.


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우리는 시간을 되돌리고 싶어합니다.

그렇게만 된다면 지나간 과거를 후회할 필요가 없으니까요.


하지만 그렇게 되려면 깨진 달걀이

원래의 달걀으로 돌아오는 현상부터 설명이 되야 합니다.



이 난관을 어떻게 극복해야 할까요?

우리는 정말.. 시간을 거슬러 올라갈 수 있는 걸까요?



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▣ 시간을 거스르기 위해 꼭 만나야 할 친구

: 엔트로피

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시간을 거슬러 올라가는 것이 영화에서는 쉬워 보여도,

사실 여기에는 훨씬 복잡하고 미묘한 내막이 숨어 있습니다.


우리는 '엔트로피'라는 녀석과 만나야 합니다.

이름은 좀 친근하지 않지만 일단 친해지면 굉장히 잘해주는 녀석이니 한번 들이대 보겠습니다.


예컨대, 피키캐스트는 천만 다운로드를 달성한 이후에

이벤트를 실시하기로 했습니다.


그것은 1,000만 명의 피키캐스트 가입자 중에서

100명을 뽑아 우주 여행을 보내주기로 한 것이죠.


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치열한 경쟁 끝에, 100명이 추려졌습니다.

피키캐스트의 주인이(우주인)는 뽑힌

100명의 신상정보를 파일로 분류하고,

이 파일에 1부터 100까지의 번호를 순서대로 매겼습니다.


순서를 매긴 이유는 뽑힌 100명이 이 파일의 번호순으로

우주선의 좌석에 앉기로 했기 때문이죠.



그런데.. 주인이가 퇴근하기 위해 탑승한 우주선에서 실수로

순서대로 나열되어 있는 100명의 서류를

우주선 밖으로 떨어트리는 참사를 일으켰죠.

(잘리고 싶어??!!!!!!!!!)


100개의 서류는 뒤죽박죽으로 땅바닥에 떨어졌습니다.

그런데 바로 아래 하필 피키캐스트의 대표님이 서 있었던 겁니다.




대표님은 떨어진 서류를 주워서 한데 모았습니다.

그리고는 주인이에게 수고했다는 인사를 건네고

서류 뭉탱이를 가지고 집으로 가버렸죠.


주인이는 숨을 쉬지 못할 정도로 멘붕이 왔습니다.

땅에 떨어지면서 서류 순서가 완전히 어긋난 상태였는데,

대표님은 그것을 가지고 가버린 것입니다.




이 때 주인이가 잘리지 않을 확률은 얼마나 될까요?

주인이가 잘리지 않기 위해서 서류는

1, 2, 3, 4 ..... 99, 100의 순으로 되어 있어야 했죠.

여기서 하나라도 어긋나면 주인이는 잘립니다.



그런데 우리는 여기서 중요한 사실을 하나 확인해야 합니다.


100개의 서류가 정렬될 수 있는 모든 경우의 수는

100!(팩토리얼)이므로 '9.33262154439e+157'입니다.

이것을 풀어보면 다음과 같습니다.


93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000


즉, 이 무지막지한 수가 100개의 서류가 배열되는 모든 경우의 수죠.



이 중에서 100개의 서류가 순서에 어긋나게 배열되는 경우의 수는


9332621544394415268169923885626670049071596826438162146859296389521759999322991560894146397615651828625369792082722375825118521091686399999999999999999999999


아까의 무지막지한 값에 -1을 한 수치입니다.

이 말은 곧 주인이는 잘릴 확률이 그렇지 않을 확률보다

훠어어얼~~~~~~~~~~씬 높다는 것을 보여주고 있죠.


이 많은 경우의 수 중에서,

주인이가 잘리지 않을 경우의 수는 오직 '1개'뿐입니다.


(하하! 주인이 망했다!)


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여기서 우린 중요한 하나의 사실을 확인할 수 있습니다.

순서가 뒤죽박죽으로 맞지 않게 배열될 확률이,

맞을 확률보다 훨씬 높다는 것이죠.


순서가 맞는 경우의 수는 단 하나뿐이지만,

맞지 않을 경우는 아까 보신 그 토 나오는 숫자만큼 많기 때문입니다.



많은 분들께서 이 콘텐츠에서 나갈까 고민하고 계실 텐데요.

지금 나가시기엔 후반부가 너무 흥미로우실거라 말리고 싶네요.


(진심!!! 뒷 부분 존잼이야!!!!)


이 예제는 모두 엔트로피를 설명하기 위해 등장한 예입니다.


엔트로피가 높다는 것은

어떤 사건에 처해지는 경우의 수가 많다

엔트로피가 낮다는 것은

어떤 사건이 처해지는 경우의 수가 적다


그렇다면 아까의 예제에 적용한다면 이와 같겠죠.




주인이가 서류를 떨어트리기 전,

서류는 1부터 100까지 잘 정리되어 있었죠.

반면, 떨어트린 후에는 순서가 뒤죽박죽 섞였기 때문에

엄청나게 많은 경우의 수가 나옵니다.


순서대로 잘 정리된 서류는 엔트로피가 낮습니다.

반대로 뒤죽박죽 된 서류의 상태는 엔트로피가 높다고 볼 수 있죠.



그럼 이쯤에서 정리를 하겠습니다.

사실, 주인이는 이러한 경우의 수를 생각하지 않았습니다.

주인이가 관심 있는 것은 오로지 서류가 땅에 떨어졌을 때

'맞는 배열'인지 '틀린 배열'인지이죠.


맞는 배열은 단 한 가지뿐입니다.

그러나 틀린 배열은 엄청나게 많습니다.


맞는 배열은 '저-엔트로피' 상태

틀린 배열은 '고-엔트로피' 상태


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본래 물리학에서 말하는 엔트로피의 개념은

'물리계의 무질서한 정도'


즉, 엔트로피가 높으면 무질서도가 매우 높아

'고 to the 헬'인 상태인 것이죠.

(아까 틀린 배열이 나올 경우의 수)


반면 엔트로피가 작다는 것은

그만큼 상황이 질서정연하게 배열되어 있다는 이야기이고,

아까 맞는 배열이 나올 경우의 수가 이에 해당되겠죠.


그런데 우주에 있는 모든 세상 만물은

'질서정연한 상태 -> 무질서한 상태'로 가려는 성향이 있습니다.


다시 말해 모든 물리계는

고-엔트로피 상태로 이동하려는 성향이 강하다는 것이죠.


예컨대, 주인이가 땅바닥에 서류를 떨어트리면,

그 서류들은 맞지 않게 배열될 확률이 당연히 더 클 겁니다.


자연스럽게 고-엔트로피 상태로 흘러간 거죠.

그리고 자연계의 물질들이 이렇게

무질서도가 큰 상황으로 흘러가려는 성향을

물리에서는 '열역학 제 2법칙'이라고 표현합니다.


역시 용어는 전혀 중요하지 않습니다.

그저 이러한 것이 있다는 것만 기억해 두시고

계속 이 이야기를 주의 깊게 봐주시면 감사하겠습니다.


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▣ 시간을 거슬러

: 엔트로피와 시간의 관계



우리는 엔트로피에 대해서 대략적으로 알게 되었습니다.

그렇다면 대체 엔트로피와 '시간'이 무슨 상관이 있길래

이리도 장황하게 썰을 풀었는지 궁금증이 생기실 겁니다.


물리학자들은 우리 세상에서 벌어지는 현상들에 대해 주목했습니다.

그런데 대부분의 현상들은 시간이 지날수록

'무질서도가 커지는 방향'으로 흘러갔죠.


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주인이가 떨어트린 서류가 뒤죽박죽 되는 것처럼 말입니다.


그런데 이 예시가 다가 아닙니다.

얼음은 '분자'들이 질서정연한 상태로 뭉쳐 있습니다.

따라서, 얼음은 저-엔트로피 상태죠.


그런데 얼음을 그대로 방치하면 '물'이 됩니다.

물은 얼음에 모여 있던 H20 분자가 분리된 상태인데요.

뭉쳐있던 분자들이 분리되었으므로,

배열될 수 있는 경우의 수는 뭉쳐있을 때보다 크겠죠.



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따라서 물은 고-엔트로피 상태라고 볼 수 있습니다.


즉, 얼음에서 물이 되는 현상은

'모든 만물은 무질서도가 커지는 쪽으로 흘러간다'는

열역학 제 2법칙을 충실히 따르고 있는 것입니다.


(우주 전체 계의 엔트로피가 증가하는 것! 물을 얼리면 물의 엔트로피는 감소하지만 냉장고를 돌리며 나오는 에너지때문에 우주 전체의 엔트로피는 증가하는 것이지요.)



즉, 자연계에서 벌어지는 대다수의 현상들은

'시간이 지날수록' 고-엔트로피로 가려는 성향을 보이는 것이죠.

물리학자들은 이 점에 주목하고 최종 결론을 내렸습니다.


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"시간이 흐르는 방향(과거 -> 미래)을 따라가면 엔트로피는 증가한다!"


하지만 '항상'은 아닙니다.

아까 주인이가 서류를 떨어트렸을 때,

순서에 맞게 정렬될 확률은 극미하지만 분명 '0'은 아니죠.



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이는 자연계가 매우 '낮은' 확률로

고-엔트로피(무질서도 최상)에서 저-엔트로피(무질서도 최하)

상태로 흘러 간다는 것을 의미합니다.


이 논리라면 물은 상온에서도 얼음으로 변해야 합니다.


물을 가만히 뒀는데 얼음이 된다니..

이게 무슨 소리일까요?

그 비밀을 풀러 가봅시다.


전 편에서 언급한 것처럼

현대 물리학은 과거와 미래를 따로 구분하지 않고 있습니다.


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다시 말해 시간은 과거에서 미래로 흘러가도 상관없고

미래에서 과거로 흘러가도 전혀 문제될 것이 없으며,

시간이 어느 쪽으로 흘러가더라도

'자연 법칙'들은 똑같이 성립해야 한다는 것이죠.


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그런데 우리는 이 이야기의 중반부에서

'엔트로피가 증가하는 방향으로 시간은 흘러간다'


그렇다면 이렇게 생각해 볼 수 있겠네요.



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"시간이 과거에서 미래로 흘러갈 때 '고-엔트로피 상태'로 진행된다면,

미래에서 과거로 흘러갈 때에도 '고-엔트로피 상태'로 진행되어야


(헐 소름...)

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자연 법칙들은 시간이 미래로 갈 때나 과거로 갈 때와

상관없이 똑같이 적용되어야 하기 때문이죠.




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엔트로피는 미래로 갈 때에도 증가하고

'과거'로 갈 때에도 증가해야 됩니다.


이 점이 이번에 말하고자 하는 것 중 가장 중요 내용이니

꼭 기억해 주세요(★ X 20000)

예컨대, 여러분은 지금 근사한 술집에서

홀로 위스키를 한잔 마시려고 합니다.

그런데 바텐더가 유리잔에 얼음을 떨구고 어디론가 가버렸죠.


여러분은 하염없이 얼음을 바라보았습니다.

그리고는 이 포스팅에 나온

'엔트로피'와 '시간'의 개념을 머리 속에 떠올립니다.


그럼, 여러분은 이렇게 생각하시게 될 겁니다.


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상온에 있는 얼음이 금방 녹아 '물'로 변하는 것은

너무도 자연스러운 현상입니다.


즉, 얼음은 시간이 갈수록 무질서도가 높아지는

고-엔트로피 상태(물)로 가겠죠.

그런데 시간이 과거로 흘러가도 고-엔트로피가 된다고 했는데요.


이 논리에 따르자면,

이 얼음은 10분 전(과거)에 더 단단한 얼음(저-엔트로피)이 아니라


지금보다 더 녹아있는 얼음(고-엔트로피)이 되어야 합니다.

이해가 되셨나요?

누가 들으면 헛소리로 치부하겠지만, 우리는 다르게 생각해야 합니다.


(하... 어렵지만 재밌어)


죄송합니다.

이쯤 되면 술을 안 마셨어도 숙취가 있단 느낌을 받으실 거라는 걸 알아요.

그런데 난감해 하실 것 없습니다.

어찌 되었던 우린 이 이야기가 끝나기 전에 진실을 알게 될 거니까요.


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▣ 진실로 가는 길

: 우주는 어떤 흐름으로 흘러가고 있을까?



지금까지 다룬 내용들이 다소 많아서

한방에 정리하고 넘어가겠습니다.


1. 고-엔트로피는 무질서도가 크고,

저-엔트로피는 무질서도가 낮은 상태이다.


2. 세상 만물은 저-엔트로피에서 고-엔트로피로 흘러가는 경향을 보인다.


3. 현대 물리학은 과거와 미래를 구분하지 않는다.

즉, 시간이 미래에서 과거로 거꾸로 흘러가도

모든 자연 법칙들은 맞아 떨어져야 한다.


그러므로 시간이 미래로 흘러가면서 엔트로피가 증가한다면

시간이 과거로 흘러가도 엔트로피는 증가해야 한다.


따라서 이 논리에 따르면 얼음의 과거는

'더 단단한 얼음(저-엔트로피)'이 아니라

'조금 더 녹아있는 얼음(고-엔트로피)'이 되어야 한다.



이상이 우리가 오늘 다룬 내용의 핵심입니다.

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이제 우리는 시간의 미스터리를 풀기 위한

마지막 관문을 남겨두고 있습니다.


그것은 바로 '우주(Universe)의 기원'이죠.

우주는 언제부터 지금과 같은 모습으로 진화한 걸까요?



지금까지 제가 여러분을 많이 헷갈리게 했지만,

확실한 것이 하나 있습니다.


우리가 살고 있는 우주는 시간이 흐를수록 무질서도가 '증가'한다는 거죠.


이것이 우리의 상식이며,

우주가 이렇게 생겨 먹어서 달걀이 떨어지면 반드시 깨질 수밖에 없고,

깨진 달걀이 자동으로 맞춰져 원래의 달걀이 될 수가 없는 거죠.




그런데 현대 물리학은

'시간이 갈수록 무질서도가 증가하면,

과거로 거슬러 올라갈 때에도 무질서도가 증가해야 한다'

고 주장하고 있습니다.



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즉, 우리의 상식과 반대로 세상이 움직여도 된다는 말이죠.


과거로 갈수록 무질서도가 증가하는

고-엔트로피 상태가 되어야 하므로,

초기 우주는 지금보다 훨씬 무질서한 '카오스' 상태에서 출발해야 합니다.


그러나 진실은 전혀 그렇지 않습니다.


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아시다시피, 우주는 한 점에서 뭉쳐 있다가

'빅뱅'이란 대폭발을 통해 팽창해 지금과 같은 모습의 우주가 되었는데요.

그리고 우리의 '시간'도 이때부터 시작되었죠.


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빅뱅은 세상 만물이 모두 한 점에 응축되어 있는 상태를 말합니다.

따라서, 분자들이 배열될 수 있는 경우의 수가 거의 없죠.

(주인이의 서류가 순서대로 배열될 경우의 수가 딱 1개였던 것처럼)




초기 우주는 매우 질서정연한 상태인

'극저-엔트로피' 상태


그리고 우주가 탄생한 지 수십억 년이 흐르면서

원시 기체들은 은하와 별, 지구를 만들면서 팽창합니다.


팽창하는 우주는 배열될 수 있는 경우의 수가 증가하므로

점점 무질서한 고-엔트로피 상태가 됩니다.


즉, 우리 우주는 시간이 흐를수록

저-엔트로피에서 고-엔트로피로 변한다는

열역학 2법칙을 충실히 따르고 있는 것이죠.


그렇다면 이 기나긴 게임을 끝낼 때가 왔습니다.

여러분들은 이제 왜 우리가 시간을 거슬러 올라갈 수 없는 지

곧 알게 될 겁니다.



우리가 사는 세상에서

어떤 사건이 거꾸로 재생되는 일이 발생하지 않는 이유.


즉, 깨진 달걀이 원래의 달걀로 돌아가는 기묘한 현상이 일어나지 않는 이유는




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우주가 처음 시작된 시기.

즉, 태초의 빅뱅이 '극저-엔트로피'에서 시작되어

지금의 '고-엔트로피' 상태로 변화했기 때문입니다.


(과거에서 미래로 가든 미래에서 과거로 가든 엔트로피는 무조건 증가해야하고, 고-엔트로피인 지금 상태에서 과거로 가면 더 고-엔트로피가 되는게 물리학적으로 맞는 얘기인데 우주의 기원인 빅뱅이 일어날 때 실제로는 저-엔트로피상태였기 때문에 과거로 시간을 돌릴 수 없다는 거..?)



앞서 언급했듯이

어떤 사건이 거꾸로 재생되기 위해서는

과거로 거슬러 올라갈수록

무질서도가 증가하는 고-엔트로피 상태가 되어야 하죠.


하지만 우리 우주는 극저-엔트로피 상태에서 출발했고

지금도 무질서한 고-엔트로피의 상태를 향해 끊임없이 나아가고 있습니다.


우리의 미래는 항상 엔트로피가 증가하는 방향

그런 이유로 깨진 달걀(고-엔트로피)은

결코 원래의 달걀(저-엔트로피)이 될 수 없는 것이죠.


결국, 우리가 순응하고 있는 '시간의 화살'은

이미 세상이 시작된 시점(빅뱅)부터

'이미 결정'되어 있었던 것입니다.




< 마치며 >


지금까지 아주 많은 이야기들을 해보았는데요.


요약해 보면, 우주가 탄생할 때부터 지금까지

저-엔트로피에서 고-엔트로피로 변화했기 때문에

깨진 접시는 원래의 접시가 될 수 없다는 것입니다.


즉, 어떤 사건을 거꾸로 재생하는 것은 불가능한 것이죠.

따라서 우리는 과거를 거슬러 올라갈 수가 없습니다.


우리의 시간이 과거에서 미래로 흘러갈 수밖에 없는 이유가

이미 태초(빅뱅)에서부터 정해져 있었다는 사실이 놀랍지 않으신가요?


어쩌면 우리가 받아들이는 모든 세상 만물과 운명은

이미 태초부터 정해져 있었던 것은 아닐까요?



참고 문헌 :


Einstein's Cosmos - Michio kaku

The Large Scale Structure of SpaceTime

The Future of Spacetime - Steven Hawking

The Fabric of the Cosmos - Brian green

Black Holes and Time Warps - Kip thorne


출처

띠용가리
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