시간의 역사

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1. 개요

《시간의 역사》는 스티븐 호킹이 1988년에 출판한 대중 과학 서적으로, 우주론, 빅뱅, 블랙홀, 시간 여행 등 다양한 주제를 다룬다. 이 책은 케임브리지 대학교 출판부의 편집자 사이먼 미턴의 제안으로 시작되었으며, 칼 세이건의 서문이 초판에 실렸다. 1996년에는 확장판이, 1998년에는 10주년 기념판이 출판되었고, 2005년에는 레너드 믈로디노프와 함께 원작을 간략하게 정리한 《시간의 더 짧은 역사》가 출간되었다. 이 책은 우주와 시간의 기원, 불확정성 원리, 기본 입자, 블랙홀, 시간의 화살, 웜홀과 시간 여행, 물리학의 통일 등 다양한 내용을 다루며, 1991년 호킹의 전기 영화로 제작되기도 했다.

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시간의 역사 - [서적]에 관한 문서
서지 정보
제목	시간의 역사
원제	A Brief History of Time
저자	스티븐 호킹
국가	영국
언어	영어
주제	우주론
출판사	반탐 델 출판 그룹
출판일	1988년 4월 1일
미디어 유형	인쇄 (하드커버 및 페이퍼백)
페이지 수	256쪽
ISBN	978-0-553-10953-5
OCLC	39256652
Dewey 십진분류법	523.1 21
의회도서관 분류	QB981 .H377 1998
후속작	블랙홀과 아기 우주 그리고 다른 에세이

2. 출판

1983년 초, 스티븐 호킹은 케임브리지 대학교 출판부에서 천문학 서적을 담당하는 편집자 사이먼 미턴에게 대중적인 우주론 서적에 대한 자신의 아이디어를 처음 제시했다. 미턴은 초고에 있는 모든 수식에 대해 회의적이었는데, 그는 호킹이 책을 통해 도달하고자 했던 공항 서점에서 책을 구매하려는 사람들의 발길을 돌릴 수 있다고 생각했다. 그는 어렵사리 호킹을 설득하여 단 하나의 수식 (''E'' = ''mc''²)을 제외한 모든 수식을 삭제하게 했다.^[2] 호킹은 책의 감사의 글에서 책에 방정식이 하나 있을 때마다 독자 수가 절반으로 줄어들 것이라는 경고를 받았다고 언급했다.^[11]

3. 내용

스티븐 호킹은 《시간의 역사》에서 비전문 독자를 대상으로 우주론, 빅뱅, 블랙홀, 광원뿔 등 다양한 주제를 설명한다. 그의 주요 목표는 이 주제에 대한 개요를 제공하는 것이지만, 복잡한 수학을 설명하려고 시도하기도 한다. 1996년판 및 이후 판에서 호킹은 시간 여행과 웜홀의 가능성을 논하고, 시간의 시작에 양자 특이점이 없는 우주의 가능성을 탐구한다.^[2]

3. 1. 제1장: 우주에 대한 우리의 그림

호킹은 제1장에서 천문학 연구의 역사를 설명한다. 특히 고대 그리스 철학자 아리스토텔레스가 구형 지구에 대해 내린 결론과, 이후 2세기 그리스 천문학자 프톨레마이오스가 더욱 발전시킨 원형의 지구 중심 모델을 다룬다. 이어서 아리스토텔레스와 프톨레마이오스 모델을 거부하고 현재 받아들여지는 태양 중심 모델의 점진적인 발전을 묘사하는데, 이는 폴란드 천문학자 니콜라우스 코페르니쿠스가 1514년에 처음 제안했으며, 1세기 후 이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이와 독일 과학자 요하네스 케플러가 검증했고, 1687년 영국의 과학자 아이작 뉴턴이 저서 ''프린키피아''에서 중력에 관해 수학적으로 더욱 뒷받침했다.^[11]

이 장에서 호킹은 우주와 시간의 기원에 대한 주제가 수 세기 동안 어떻게 연구되고 논쟁되었는지도 다룬다. 아리스토텔레스와 다른 초기 철학자들이 가설을 세운 영원한 우주의 존재는 성 아우구스티누스와 다른 신학자들이 과거 특정 시점에 우주가 창조되었다는 믿음에 의해 반박되었으며, 시간은 우주의 창조와 함께 시작된 개념이다. 현대 시대에는 독일 철학자 이마누엘 칸트가 다시 시간이 시작점을 갖지 않는다고 주장했다. 1929년, 미국의 천문학자 에드윈 허블이 팽창하는 우주를 발견하면서 100억에서 200억 년 전, 전체 우주가 하나의 극도로 밀도가 높은 장소에 담겨 있었다는 것을 시사했다. 이 발견은 우주의 시작이라는 개념을 과학의 영역으로 가져왔다. 현재 과학자들은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자역학을 사용하여 우주의 작동 방식을 부분적으로 설명하는 한편, 우주의 모든 것을 설명할 수 있는 완전한 대통일 이론을 여전히 찾고 있다.^[11]

3. 2. 제2장: 공간과 시간

아리스토텔레스와 뉴턴은 관찰자의 운동 상태와 상관없이 시간을 정확하게 측정할 수 있다는 절대 시간을 믿었다. 하지만 이러한 상식적인 개념은 빛의 속도이거나 빛의 속도에 가까운 속도에서는 통하지 않는다. 덴마크 과학자 올레 뢰머는 목성과 그 위성 중 하나인 이오를 관찰하여 빛이 매우 빠르지만 유한한 속도로 이동한다는 것을 발견했다.^[11] 제임스 클러크 맥스웰의 전자기학 방정식은 빛이 고정된 속도로 움직이는 파동으로 이동한다는 것을 보여주었다. 뉴턴 역학에서 절대 정지의 개념이 폐기되었으므로, 맥스웰과 다른 많은 물리학자들은 빛이 에테르라고 불리는 가상의 유체를 통과해야 하며, 그 속도는 에테르에 상대적이라고 주장했다. 그러나 이는 마이컬슨-몰리 실험에 의해 반증되어, 빛의 속도는 관찰자의 운동과 관계없이 항상 일정하게 유지된다는 것을 보여주었다. 아인슈타인과 앙리 푸앵카레는 빛의 운동을 설명하기 위해 에테르가 필요 없으며, 절대 시간이 없다고 가정했다. 특수 상대성 이론은 이를 기반으로 하며, 빛은 관찰자의 속도에 관계없이 유한한 속도로 이동한다고 주장한다.

질량과 에너지는 방정식

E = mc^2

에 의해 관련되어 있으며, 이는 질량을 가진 모든 물체가 빛의 속도(c = 3×10⁸m/s)로 이동하려면 무한한 양의 에너지가 필요하다는 것을 설명한다. 빛의 속도를 사용하여 미터를 정의하는 새로운 방법이 개발되었다. 또한, "사건"은 과거와 미래의 빛뿔을 기반으로 어떤 사건이 허용되고 어떤 사건이 허용되지 않는지를 제한하는 시공간의 그래픽 표현인 광원뿔을 사용하여 설명할 수 있다. 4차원 시공간도 설명되는데, 여기서는 '공간'과 '시간'이 본질적으로 연결되어 있다. 물체가 공간을 통해 움직이는 것은 필연적으로 시간이 어떻게 경험되는지에 영향을 미친다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 빛의 광선 경로가 '중력'의 영향을 받는 방식을 설명하는데, 아인슈타인에 따르면 이것은 시공간의 휨에 의해 발생되는 환상인 반면, 뉴턴의 관점은 중력을 물질이 다른 물질에 가하는 힘으로 묘사했다. 시공간 곡률에서 빛은 항상 4차원 "시공간"에서 직선 경로로 이동하지만, 중력의 영향으로 인해 3차원 공간에서는 휘어져 보일 수 있다. 이러한 직선 경로는 측지선이다. 쌍둥이 역설은 특수 상대성 이론의 사고 실험으로, 동일한 쌍둥이가 서로 다른 속도로 움직이거나, 서로 다른 시공간 곡률을 가진 다른 위치에 살 경우 다르게 나이를 먹을 수 있다는 것을 고려한다. 특수 상대성 이론은 사건이 일어나는 공간과 시간의 영역을 기반으로 하는 반면, 일반 상대성 이론은 힘이 시공간 곡률을 변경할 수 있고 동적이고 팽창하는 우주를 만들어내는 동적이다. 호킹과 로저 펜로즈는 이에 대해 연구했고, 나중에 일반 상대성 이론을 사용하여 우주가 과거에 유한한 시간을 시작했다면, 미래에도 유한한 시간에 끝날 수 있다는 것을 증명했다.

3. 3. 제3장: 팽창하는 우주

이 장에서 호킹은 물리학자와 천문학자들이 별의 지구로부터의 상대적인 거리를 어떻게 계산했는지 설명한다. 18세기에 윌리엄 허셜 경은 밤하늘에 있는 많은 별들의 위치와 거리를 확인했다. 1924년 에드윈 허블은 지구에서 관측한 세페이드 변광성의 밝기를 사용하여 거리를 측정하는 방법을 발견했다. 이 별들의 광도, 밝기 및 거리는 간단한 수학 공식으로 관련되어 있다. 이 모든 것을 사용하여 그는 9개의 서로 다른 은하의 거리를 계산했다. 우리는 매우 많은 수의 별을 포함하는 비교적 전형적인 나선 은하에 살고 있다.

별들은 우리로부터 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 우리는 그들의 한 가지 특징인 빛만 관찰할 수 있다. 이 빛이 프리즘을 통과하면 스펙트럼이 발생한다. 모든 별은 자체 스펙트럼을 가지고 있으며, 각 원소는 고유한 스펙트럼을 가지고 있으므로 별의 빛 스펙트럼을 측정하여 화학적 구성을 알 수 있다. 별의 온도를 알기 위해 별의 열 스펙트럼을 사용한다. 1920년 과학자들이 서로 다른 은하의 스펙트럼을 조사했을 때, 그들은 별 스펙트럼의 일부 특징적인 선이 스펙트럼의 적색 쪽으로 이동한 것을 발견했다. 이 현상의 의미는 도플러 효과에 의해 주어졌으며, 많은 은하들이 우리로부터 멀어지고 있다는 것이 분명했다.

일부 은하는 적색 편이를 보이므로 일부 은하는 청색 편이를 보일 것이라고 가정했다. 그러나 적색 편이된 은하가 청색 편이된 은하보다 훨씬 많았다. 허블은 적색 편이의 양이 상대적인 거리에 정비례한다는 것을 발견했다. 이것으로부터 그는 우주가 팽창하고 시작점이 있다는 것을 결정했다. 그럼에도 불구하고 정적인 우주의 개념은 20세기까지 지속되었다. 아인슈타인은 정적인 우주를 매우 확신했기 때문에 '우주 상수'를 개발하고 무한한 나이를 가진 우주를 허용하기 위해 '반중력' 힘을 도입했다. 더욱이 많은 천문학자들은 일반 상대성 이론의 의미를 피하려고 했고, 러시아 물리학자 알렉산더 프리드만을 제외하고는 정적인 우주에 매달렸다.

프리드만은 두 가지 매우 간단한 가정을 했다. 즉, 우주는 우리가 어디에 있든 동일하다(예: 균질성)는 것과 우리가 바라보는 모든 방향에서 동일하다(예: 등방성). 그의 결과는 우주가 정적이지 않다는 것을 보여주었다. 그의 가정은 나중에 벨 연구소의 두 물리학자 아르노 펜지아스와 로버트 우드로 윌슨이 하늘의 한 특정 부분뿐만 아니라 모든 곳에서 거의 같은 양의 예상치 못한 마이크로파 복사를 발견했을 때 입증되었다. 따라서 프리드만의 첫 번째 가정은 사실로 입증되었다.

동시에 로버트 H. 디케와 짐 피블스도 마이크로파 복사에 대해 연구하고 있었다. 그들은 초기 우주의 빛을 배경 마이크로파 복사로 볼 수 있어야 한다고 주장했다. 윌슨과 펜지아스가 이미 이것을 했기 때문에 그들은 1978년에 노벨상을 받았다. 또한, 우주의 우리 위치는 예외적이지 않다. 따라서 우리는 우주를 다른 모든 공간에서 거의 동일하게 보아야 하며, 이는 프리드만의 두 번째 가정을 뒷받침한다. 그의 연구는 하워드 P. 로버트슨과 아서 제프리 워커에 의해 비슷한 모델이 만들어지기 전까지는 거의 알려지지 않았다.

프리드만의 모델은 우주의 진화에 대한 세 가지 유형의 다른 모델을 낳았다. 첫째, 우주는 주어진 시간 동안 팽창할 것이고, 팽창률이 우주의 밀도보다 작으면(중력 인력을 유발) 궁극적으로 나중에 우주의 붕괴로 이어질 것이다. 둘째, 우주는 팽창할 것이고, 어느 시점에서 팽창률과 우주의 밀도가 같아지면 천천히 팽창하여 멈추어 다소 정적인 우주로 이어질 것이다. 셋째, 우주의 밀도가 우주의 팽창률의 균형을 맞추는 데 필요한 임계량보다 적으면 우주는 영원히 계속 팽창할 것이다.

첫 번째 모델은 우주의 공간이 안쪽으로 휘어짐을 묘사한다. 두 번째 모델에서 공간은 평평한 구조로 이어질 것이고, 세 번째 모델은 음의 '안장 모양' 곡률을 초래한다. 우리가 계산하더라도 현재 팽창률은 암흑 물질과 모든 별의 질량을 포함한 우주의 임계 밀도보다 크다. 첫 번째 모델은 '특이점'으로 알려진 무한 밀도와 0 부피의 공간에서 빅뱅으로 시작하는 우주를 포함했는데, 이는 일반 상대성 이론(프리드만의 해는 이를 기반으로 함)도 무너지는 지점이다.

벨기에 가톨릭 사제 조르주 르메트르가 제안한 시간의 시작에 대한 이러한 개념은 원래 종교적 신념에 의해 동기 부여된 것으로 보였는데, 이는 영원한 대신 시간에 시작점이 있는 우주에 대한 성경적 주장을 뒷받침하기 때문이다.^[3] 그래서 빅뱅 이론과 경쟁하기 위해 헤르만 본디, 토마스 골드, 프레드 호일에 의해 "정상 상태 이론"이 도입되었다. 그 예측도 현재 우주 구조와 일치했다. 그러나 우리 근처의 전파원의 수가 먼 우주보다 훨씬 적고, 현재보다 훨씬 더 많은 전파원이 있었다는 사실은 이 이론의 실패와 빅뱅 이론의 보편적인 수용을 초래했다. 에브게니 리프시츠와 이사크 마르코비치 할라트니코프는 빅뱅 이론의 대안을 찾으려고 시도했지만 실패했다.

로저 펜로즈는 빛 원뿔과 일반 상대성 이론을 사용하여 붕괴하는 별이 블랙홀이라고 불리는 0 크기, 무한 밀도 및 곡률의 영역을 초래할 수 있음을 증명했다. 호킹과 펜로즈는 함께 우주가 특이점에서 시작되었어야 함을 증명했는데, 호킹 자신은 양자 효과를 고려하면 이를 반증했다.

3. 4. 제4장: 불확정성 원리

라플라스는 과학적 결정론에 대해 강한 신념을 가지고 있었는데, 과학 법칙이 결국 우주의 미래를 정확하게 예측할 수 있다고 믿었다. 그러나 레일리 경과 제임스 진스는 별이 무한한 에너지를 방사한다는 이론을 제시했는데, 이는 1900년에 독일 과학자 막스 플랑크에 의해 수정되었다. 플랑크는 에너지가 양자(quanta)라고 불리는 작고 유한한 묶음으로 방사되어야 한다고 주장했다.^[11]

독일 과학자 베르너 하이젠베르크는 불확정성 원리를 정립했는데, 이 원리에 따르면 플랑크의 양자 가설로 인해 입자의 속도와 위치를 정확하게 알 수 없으며, 속도 측정의 정확성을 높이면 위치의 불확실성이 커지고 그 반대도 마찬가지이다. 이는 라플라스의 완전한 결정론적 우주 이론을 반박했다. 이후 하이젠베르크, 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거, 그리고 1920년대의 영국 물리학자 폴 디랙에 의해 양자역학이 발전하게 되었다. 양자역학은 과학에 예측 불가능성의 요소를 도입했고, 독일 과학자 알베르트 아인슈타인의 반대에도 불구하고, 중력과 대규모 구조를 제외한 우주를 설명하는 데 매우 성공적임이 입증되었다.

하이젠베르크의 불확정성 원리는 빛의 파동-입자 이중성 행동(일반적으로 입자도)을 암시한다.

여러 빛의 파동이 서로 간섭하여 구성 파동과는 다른 특성을 가진 단일 빛의 파동을 생성하는 파동 간섭 현상과, 이중 슬릿 실험으로 예시되는 입자 내의 간섭 현상이 있다. 덴마크 과학자 닐스 보어의 이론은 붕괴하는 전자의 문제를 부분적으로만 해결했지만, 양자역학은 이 문제를 완전히 해결했다. 미국 과학자 리처드 파인만의 경로 적분은 파동-입자 이중성을 시각화하는 좋은 방법이다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 불확정성 원리를 무시하는 고전적인 비양자 이론이며, 블랙홀과 빅뱅과 같이 중력이 매우 강한 상황에서는 양자 이론과 조화되어야 한다.

3. 5. 제5장: 기본 입자와 자연의 힘

이 장에서 호킹은 물질의 본질에 대한 연구 역사를 추적한다. 아리스토텔레스의 4원소, 데모크리토스의 분할 불가능한 원자 개념, 존 돌턴의 원자가 결합하여 분자를 형성한다는 아이디어, J. J. 톰슨의 원자 내부의 전자 발견, 어니스트 러더퍼드의 원자핵과 양성자 발견, 제임스 채드윅의 중성자 발견, 마지막으로 머레이 겔만의 양성자와 중성자를 구성하는 더 작은 쿼크에 대한 연구를 다룬다.^[11]

호킹은 6가지 다른 "맛"(위, 아래, 기묘, 차암, 바닥, 꼭대기)과 쿼크의 3가지 다른 "색깔"(빨강, 녹색, 파랑)에 대해 논의한다. 장의 후반부에서는 반쿼크에 대해 논의하는데, 이들은 우주의 팽창과 냉각으로 인해 쿼크보다 수가 적다.^[11]

호킹은 입자의 ''스핀'' 속성에 대해 논의하는데, 이는 입자가 다른 방향에서 어떻게 보이는지를 결정한다. 호킹은 스핀을 기준으로 우주의 입자를 두 그룹, 즉 페르미온과 보손으로 나눈다. 스핀이 1/2인 페르미온은 ''파울리 배타 원리''를 따르며, 이는 같은 양자 상태를 공유할 수 없음을 의미한다(예를 들어, 두 개의 "스핀 업" 양성자는 공간의 같은 위치를 차지할 수 없다). 이 규칙이 없으면 복잡한 구조는 존재할 수 없다.^[11]

양성자는 세 개의 쿼크로 구성되어 있으며, 색가둠으로 인해 서로 다른 색깔을 띤다.

스핀이 0, 1 또는 2인 보손 또는 힘 전달 입자는 배타 원리를 따르지 않는다. 호킹은 ''가상 중력자''와 ''가상 광자''의 예를 든다. 스핀이 2인 가상 중력자는 중력의 힘을 전달한다. 스핀이 1인 가상 광자는 전자기력을 전달한다. 호킹은 약력 (주로 페르미온에 영향을 미치는 방사능의 원인)과 입자 글루온에 의해 전달되는 강력에 대해 논의하는데, 글루온은 쿼크를 서로 묶어 하드론, 보통 중성자와 양성자로 만들고, 또한 중성자와 양성자를 묶어 원자핵을 만든다. 호킹은 쿼크와 글루온이 하드론 내에 갇혀 있어서(극도로 높은 온도 제외) 자체적으로 발견되지 않도록 하는 색가둠이라는 현상에 대해 설명한다.^[11]

호킹은 극도로 높은 온도에서 전자기력과 약력이 단일 전약력으로 작용하며, 더 높은 온도에서는 전약력과 강력도 단일 힘으로 작용할 것이라는 추측이 제기된다고 쓴다. 이 "결합된" 힘의 행동을 설명하려는 이론을 대통일 이론이라고 하며, 이러한 이론은 과학자들이 아직 해결하지 못한 물리학의 많은 미스터리를 설명하는 데 도움이 될 수 있다.^[11]

3. 6. 제6장: 블랙홀

블랙홀이 중력 렌즈 현상을 통해 배경 이미지를 왜곡하는 모습을 보여준다.

이 장에서 스티븐 호킹은 빛을 포함한 모든 것이 내부에서 탈출할 수 없는 극도로 강한 중력을 가진 시공간의 영역인 블랙홀에 대해 논한다. 호킹은 대부분의 블랙홀이 수명이 다해가는 (최소 태양보다 25배 더 무거운) 거대한 별의 붕괴 동안 형성된다고 설명한다. 그는 블랙홀의 경계이며 어떤 입자도 나머지 시공간으로 탈출할 수 없는 사건의 지평선에 대해 이야기한다. 호킹은 다음으로 구대칭을 갖는 회전하지 않는 블랙홀과 축대칭을 갖는 회전하는 블랙홀에 대해 논한다. 천문학자들은 블랙홀을 직접 관찰하는 것이 아니라, 특수 망원경을 사용하여 블랙홀이 별을 삼킬 때 방출되는 강력한 X선을 관측하여 간접적으로 발견한다. 호킹은 1974년 미국 물리학자 킵 손과 했던 유명한 내기를 언급하며 이 장을 마무리하는데, 호킹은 블랙홀이 존재하지 않는다고 주장했다. 새로운 증거를 통해 백조자리 X-1이 실제로 블랙홀임이 증명되면서 호킹은 내기에서 졌다.^[11]

3. 7. 제7장: 블랙홀은 그렇게 검지 않다

이 장에서는 스티븐 호킹이 1970년대에 발견한 블랙홀의 행동 측면에 대해 논의한다. 이전 이론에 따르면 블랙홀은 커지기만 하고 작아질 수 없었는데, 블랙홀 안으로 들어간 것은 아무것도 나올 수 없었기 때문이다. 그러나 1974년 호킹은 블랙홀이 "복사"를 누출할 수 있다고 주장하는 새로운 이론을 발표했다.^[11] 그는 가상 입자 쌍이 블랙홀 가장자리 근처에서 나타나는 경우 어떤 일이 일어날지 상상했다. 가상 입자는 짧은 시간 동안 시공간 자체로부터 에너지를 '빌린' 다음 서로 소멸하여 빌린 에너지를 반환하고 존재하지 않게 된다. 그러나 블랙홀 가장자리에서는 한 가상 입자는 블랙홀에 갇히는 반면 다른 입자는 탈출할 수 있다. 열역학 제2법칙에 따르면 입자는 진공에서 에너지를 가져가는 것이 '금지'되어 있다. 따라서 입자는 진공이 아닌 블랙홀에서 에너지를 가져와 호킹 복사로 블랙홀에서 탈출한다.

호킹에 따르면 블랙홀은 이 복사로 인해 시간이 지남에 따라 매우 천천히 줄어들고 결국 "증발"해야 하며, 과학자들이 이전에 믿었던 것처럼 영원히 존재할 수는 없다.

3. 8. 제8장: 우주의 기원과 운명

대부분의 과학자들은 우주가 "빅뱅"이라고 불리는 팽창으로 시작되었다는 데 동의한다. 빅뱅이 시작될 때 우주는 극도로 높은 온도를 가지고 있었는데, 이는 별과 같은 복잡한 구조나 원자와 같은 매우 단순한 구조조차 형성되는 것을 막았다. 빅뱅 동안, 우주가 훨씬 더 큰 크기로 잠시 팽창("팽창")하는 "인플레이션"이라고 불리는 현상이 일어났다. 인플레이션은 이전에 연구자들을 매우 혼란스럽게 했던 우주의 일부 특성을 설명한다. 인플레이션 이후, 우주는 더 느린 속도로 계속 팽창했다. 온도는 훨씬 더 차가워졌고, 결국 그러한 구조가 형성될 수 있게 했다.^[11]

호킹은 또한 우주가 실제로 성장한 것보다 더 느리거나 더 빠르게 성장했다면 어떻게 다르게 보였을지에 대해서도 논의한다. 예를 들어, 우주가 너무 느리게 팽창했다면, 붕괴했을 것이고, 생명이 형성될 시간이 충분하지 않았을 것이다. 우주가 너무 빨리 팽창했다면, 거의 비어 있었을 것이다.^[11]

호킹은 궁극적으로 우주가 유한하지만 무한할 수 있다는 결론을 제시한다. 즉, 시간상 시작도 끝도 없을 수 있지만, 단지 유한한 양의 물질과 에너지를 가지고 존재할 수 있다는 것이다.^[11]

양자 중력의 개념도 이 장에서 논의된다.^[11]

3. 9. 제9장: 시간의 화살

스티븐 호킹은 《시간의 역사》에서 인간이 경험하는 시간(호킹은 이를 "실시간"이라고 부른다)이 왜 과거에서 미래로 향하는 특정한 방향성을 가지는 것처럼 보이는지 설명한다. 그는 이러한 시간의 속성을 부여하는 세 가지 "시간의 화살"에 대해 논한다.

첫 번째는 열역학적 시간의 화살이다. 이는 엔트로피(무질서)가 증가하는 방향을 의미한다. 호킹에 따르면, 이것이 깨진 컵 조각들이 스스로 모여 완전한 컵을 형성하는 것을 결코 보지 못하는 이유이다.

두 번째는 심리적 시간의 화살이다. 이는 우리의 주관적인 시간 감각이 한 방향으로 흐르는 것처럼 보이는 현상이다. 즉, 우리가 과거는 기억하지만 미래는 기억하지 못하는 이유이다. 호킹은 우리 뇌가 시간에 따라 무질서가 증가하는 방식으로 시간을 측정한다고 주장하며, 심리적 시간의 화살이 열역학적 시간의 화살과 얽혀 있다고 설명한다.

세 번째는 우주론적 시간의 화살이다. 이는 우주가 수축하는 대신 팽창하는 시간의 방향을 의미한다. 호킹은 우주가 수축하는 단계에서는 열역학적 시간의 화살과 우주론적 시간의 화살이 일치하지 않을 것이라고 설명한다.

호킹은 우주에 대한 "무경계 가설"이 우주가 다시 수축하기 전에 일정 시간 동안 팽창할 것임을 시사한다고 주장한다. 그는 무경계 가설이 엔트로피를 유발하며, 우주가 팽창하는 경우에만 잘 정의된 열역학적 시간의 화살이 존재한다고 예측한다. 이는 우주가 시간의 흐름에 따라 무질서로 커져야 하는 매끄럽고 정돈된 상태로 시작되었음을 시사하기 때문이다. 그는 무경계 가설 때문에 수축하는 우주는 잘 정의된 열역학적 화살을 갖지 못할 것이므로, 팽창 단계에 있는 우주만이 지적 생명체를 지원할 수 있다고 주장한다. 약한 인간 원리를 사용하여 호킹은 열역학적 화살이 지적 생명체에 의해 관찰되기 위해서는 우주론적 화살과 일치해야 한다고 주장한다. 이것이 호킹이 인간이 이 세 가지 시간의 화살이 같은 방향으로 가는 것을 경험하는 이유라고 설명하는 관점이다.

3. 10. 제10장: 웜홀과 시간 여행

이 장에서 호킹은 미래나 과거로의 여행, 즉 시간 여행이 가능한지 논한다. 그는 물리학자들이 첨단 기술을 이용하여 인간이 광속보다 빠르게 여행하거나 시간 여행을 할 수 있는 가능한 방법을 고안하려 했는지 보여주며, 이러한 개념은 과학 소설의 주류가 되었다고 설명한다. 일반 상대성 이론 연구 초기에 아인슈타인-로젠 다리가 제안되었다. 이러한 "웜홀"은 외부에서 보면 블랙홀과 동일하게 보이지만, 들어간 물질은 시공간의 다른 위치, 잠재적으로는 멀리 떨어진 우주 지역 또는 심지어 과거로 이동하게 된다. 그러나 이후의 연구에 따르면, 웜홀이 처음 형성될 수 있다 하더라도, 일반 블랙홀로 다시 변하기 전에 어떤 물질도 통과할 수 없다는 것이 밝혀졌다.^[11]

이론적으로 웜홀이 열린 상태로 유지되어 광속보다 빠른 여행이나 시간 여행을 가능하게 하는 유일한 방법은 일반 상대성 이론의 에너지 조건을 위반하는 음의 에너지 밀도를 가진 이국적인 물질의 존재를 필요로 한다. 따라서 거의 모든 물리학자들은 광속보다 빠른 여행과 과거로의 시간 여행은 불가능하다고 생각한다.^[11]

호킹은 또한 광속보다 빠른 여행과 과거 시간 여행이 거의 확실히 불가능한 이유에 대한 보다 공식적인 설명을 제공하는 자신의 "연대기 보호 가설"을 설명한다.^[11]

3. 11. 제11장: 물리학의 통일

양자장론(QFT)과 일반 상대성 이론(GR)은 각자의 영역에서 우주의 물리학을 놀라운 정확도로 설명한다. 그러나 이 두 이론은 서로 모순된다. 예를 들어, 양자장론의 불확정성 원리는 일반 상대성 이론과 호환되지 않는다. 이러한 모순과 양자장론 및 일반 상대성 이론이 관찰된 현상을 완전히 설명하지 못한다는 사실은 물리학자들이 일관성 있고, 기존 이론만큼 또는 더 나은 관찰된 현상을 설명하는 "양자 중력" 이론을 찾도록 이끌었다.^[11]

호킹은 어려움에도 불구하고, 우주의 통일된 이론이 곧 발견될 수 있다고 조심스럽게 낙관한다. 책이 쓰여질 당시, "초끈 이론"이 양자 중력의 가장 인기 있는 이론으로 부상했지만, 이 이론과 관련된 끈 이론은 여전히 불완전했고 증명되지 않았다(2021년 현재도 마찬가지임). 끈 이론은 입자가 양자장론에서처럼 무차원 입자가 아닌, 1차원 "끈"처럼 동작한다고 제안한다. 이러한 끈은 여러 차원에서 "진동"한다. 양자장론의 3차원이나 일반 상대성 이론의 4차원 대신, 초끈 이론은 총 10차원을 요구한다. 초끈 이론이 요구하는 6개의 "초공간" 차원의 특성은 연구하기 어렵거나 불가능하며, 각기 다른 특성을 가진 우주를 설명하는 수많은 이론적 끈 이론 풍경을 남긴다. 가능성의 범위를 좁힐 방법이 없으면 끈 이론의 실용적인 적용을 찾는 것이 불가능할 가능성이 높다.

루프 양자 중력과 같은 양자 중력의 대안 이론 역시 증거 부족과 연구의 어려움으로 어려움을 겪고 있다.

호킹은 세 가지 가능성을 제안한다.

# 우리가 결국 발견할 완전한 통일 이론이 존재한다.

# 서로 다른 풍경의 겹치는 특성은 시간이 지남에 따라 물리학을 점점 더 정확하게 설명할 수 있게 해줄 것이다.

# 궁극적인 이론은 없다.

세 번째 가능성은 불확정성 원리에 의해 설정된 한계를 인정함으로써 회피되었다. 두 번째 가능성은 점점 더 정확한 부분 이론으로, 지금까지 자연 과학에서 일어난 일을 설명한다.

호킹은 이러한 정교화에는 한계가 있으며, 실험실 환경에서 우주의 아주 초기 단계를 연구함으로써 21세기에 양자 중력에 대한 완전한 이론이 발견되어 물리학자들이 현재 해결되지 않은 많은 문제를 해결할 수 있게 될 것이라고 믿는다.^[11]

3. 12. 결론

호킹은 이 마지막 장에서 인류가 역사를 통해 우주와 그 안에서 인류의 위치를 이해하기 위해 기울인 노력을 요약한다. 자연을 지배하는 의인화된 영혼에 대한 믿음에서 시작하여 자연의 규칙적인 패턴을 인식하고, 마지막으로 최근 몇 세기 동안의 과학적 발전을 통해 우주의 내부 작동 방식이 훨씬 더 잘 이해되었다. 그는 19세기 프랑스 수학자 라플라스가 제안한, 우주의 구조와 진화가 결국 그 기원이 신의 영역에 남겨진 일련의 법칙에 의해 정확하게 설명될 수 있다는 점을 상기시킨다. 그러나 호킹은 20세기에 양자론이 도입한 불확정성 원리가 미래에 발견될 법칙의 예측 정확성에 한계를 설정했다고 말한다.

호킹은 역사적으로 우주론(지구 및 전체 우주의 기원, 진화 및 종말 연구) 연구가 철학적 및 종교적 통찰력을 찾는 데 주로 동기를 부여받았다고 언급한다. 예를 들어, 신의 본성을 더 잘 이해하거나, 심지어 신의 존재 여부를 이해하기 위해서였다. 그러나 호킹에게는 오늘날 이러한 이론을 연구하는 대부분의 과학자들이 그러한 철학적 질문을 하기보다는 수학적 계산과 경험적 관찰을 통해 접근한다. 그의 생각으로는 이러한 이론의 기술적 성격이 증가함에 따라 현대 우주론은 철학적 논의와 점점 더 동떨어지게 되었다. 호킹은 그럼에도 불구하고 언젠가 모든 사람이 우주의 진정한 기원과 본질을 이해하고 "인간 이성의 궁극적인 승리"를 달성하기 위해 이러한 이론에 대해 이야기할 것이라는 희망을 표명한다.

4. 판본

1988년: 초판에는 칼 세이건의 서문이 포함되었다. 세이건은 1974년 런던에서 열린 왕립 학회 회원 임명식에서 휠체어를 탄 스티븐 호킹이 아이작 뉴턴의 서명이 있는 책에 서명하는 모습을 보고 큰 인상을 받았다고 회고했다. 그는 호킹을 뉴턴과 폴 디랙의 뒤를 잇는 루카스 수학 교수라고 칭송했다.^[4] 이 서문은 저작권 문제로 이후 판본에서는 삭제되었고, 호킹이 직접 쓴 서문으로 대체되었다.^[12]
1994년: 대화형 CD-Rom 버전이 출시되었다.^[5]
1996년: 삽화, 개정 및 확대판이 출간되었다. 풀 컬러 삽화와 사진이 추가되었고, 초판에 없던 내용도 포함되었다.
1998년: 10주년 기념판이 출간되었다. 1996년 판과 내용은 동일하며, 일부 다이어그램이 포함된 페이퍼백 형태로도 출판되었다.
2005년: 레너드 믈로디노프와의 공저인 《시간의 더 짧은 역사》가 출간되었다. 이 책은 원작을 요약하고, 새로운 과학적 발전을 반영하여 내용을 업데이트했다.

5. 영화

1991년, 에롤 모리스는 호킹에 관한 다큐멘터리 영화를 감독했다. 제목은 같지만, 이 영화는 호킹의 전기 영화이며, 책의 영화 버전은 아니다.^[1]

6. 앱

"스티븐 호킹의 포켓 유니버스: 시간의 역사 재고"는 이 책을 기반으로 한 iOS 앱이다. 펭귄 랜덤 하우스 그룹의 한 부서인 Transworld 출판사를 위해 Preloaded에서 개발했다.

이 앱은 2016년에 제작되었으며,^[1] 벤 코트니가 디자인하고 젬마 해리스가 제작했다.^[2]

7. 오페라

메트로폴리탄 오페라는 호킹의 저서를 바탕으로 2015-2016 시즌에 초연될 오페라를 의뢰했다. 이 오페라는 오스발도 골리요프가 작곡하고, 알베르토 망구엘이 대본을, 로버트 르파주가 연출할 예정이었다.^[6] 계획된 오페라는 다른 주제로 변경되었고 결국 완전히 취소되었다.^[7]

참조

_[1] 웹사이트 A brief history of Stephen Hawking https://cosmosmagazi[...] 2007-08
_[2] 서적 Stephen Hawking: a life in science Viking Press 1992
_[3] 문서
_[4] 서적 A Brief History of Time https://archive.org/[...] Bantam Books 1988
_[5] 웹사이트 A brief history of time – An interactive adventure https://www.worldcat[...]
_[6] 웹사이트 Un nouveau Robert Lepage au MET https://www.ledevoir[...] 2010-12-15
_[7] 뉴스 Osvaldo Golijov's New Opera for the Met is Called Off https://www.nytimes.[...] 2016-11-29
_[8] 간행물 Wave function of the Universe
_[9] 뉴스 Hawking to experience zero gravity http://www.telegraph[...] 2007-04-26
_[10] 뉴스 Hawking's briefer history of time http://news.bbc.co.u[...] news.bbc.co.uk 2001-10-15
_[11] 서적 Stephen Hawking: a life in science Viking Press 1992
_[12] 서적 A Brief History of Time Bantam Books
_[13] 웹사이트 A new Robert Lepage at the Met http://www.ledevoir.[...]

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