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시간의 화살

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목차

1. 개요

시간의 화살은 1928년 아서 에딩턴이 제시한 개념으로, 시간의 비가역성을 설명한다. 에딩턴은 시간의 화살을 엔트로피 증가 방향으로 정의하며, 의식, 추리 능력, 그리고 물상과학의 엔트로피 증가 현상에서 나타난다고 보았다. 시간의 화살은 심리적, 열역학적, 우주론적, 복사적, 인과적, 양자역학적, 입자물리학적 측면에서 다양한 종류로 나타나며, 각기 다른 방식으로 시간의 흐름을 설명한다. 특히 열역학적 시간의 화살은 엔트로피 증가를 통해 과거와 미래를 구분하는 데 중요한 역할을 하며, 다른 시간의 화살들과도 연관성을 가진다.

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시간의 화살
개요
개념시간의 비가역성, 시간의 흐름에 대한 은유적 표현
관련 개념엔트로피, 열역학 제2 법칙, 인과 관계
시간 비대칭의 종류
열역학적 시간 비대칭엔트로피 증가
인과적 시간 비대칭원인이 결과보다 먼저 발생
양자 시간 비대칭양자 측정의 비가역성
우주론적 시간 비대칭우주의 팽창
약한 상호작용 시간 비대칭입자 물리학에서의 CP 위반
심리적 시간 비대칭시간 경험의 방향성

2. 에딩턴의 시간의 화살 개념

아서 에딩턴은 1928년 출간한 저서 《물리적 세계의 본질》(The Nature of the Physical World)을 통해 '시간의 화살'이라는 개념을 널리 알렸다. 에딩턴은 시간의 화살을 무작위성 또는 엔트로피가 증가하는 방향으로 보았다. 그는 다음과 같이 설명했다.

임의로 화살표를 하나 그려보자. 화살표를 따라갈 때 세상의 상태에서 무작위적인 요소가 점점 더 많아진다면, 그 화살표는 미래를 가리키는 것이다. 무작위 요소가 감소한다면 그 화살표는 과거를 가리킨다. 이것이 물리학에서 알려진 유일한 구분이다. 이는 무작위성의 도입이 되돌릴 수 없는 유일한 것이라는 우리의 기본적인 주장이 받아들여진다면 즉시 따라온다. 나는 공간에는 없는 시간의 이러한 일방향적 특성을 표현하기 위해 '시간의 화살'이라는 구절을 사용할 것이다.


에딩턴은 시간의 화살에 대해 주목해야 할 세 가지 점을 제시했다.

  • 시간의 화살은 의식에 의해 뚜렷하게 인식된다.
  • 시간의 화살을 거꾸로 돌리면 외부 세계가 무의미해진다는 점은 우리의 추론 능력에 의해서도 뒷받침된다.
  • 시간의 화살은 많은 입자들의 집합적인 움직임을 다루는 통계 역학과 같은 분야를 제외한 물리학에서는 잘 드러나지 않는다. 즉, 엔트로피와 같이 여러 요소가 모여 만들어지는 창발 현상에서만 관찰된다.


에딩턴은 시간의 화살이 무작위성이 점진적으로 증가하는 방향을 나타내며, 열역학적 관점에서 볼 때 엔트로피와 밀접하게 관련된 성질이라고 결론지었다.

3. 시간의 화살의 종류

시간의 화살은 시간이 한 방향으로만 흐르는 것처럼 보이는 현상, 즉 시간의 비대칭성을 설명하는 개념이다. 물리학과 철학 등 다양한 분야에서 여러 종류의 시간의 화살이 논의된다. 이들은 서로 밀접하게 연관되어 있으며, 특히 열역학적 시간의 화살이 다른 많은 화살들의 근본적인 원인으로 여겨진다. 주요 시간의 화살 종류는 다음과 같다.


  • 심리적/지각적 시간의 화살: 인간이 과거를 기억하고 미래를 예측하며 느끼는 주관적인 시간의 흐름을 의미한다. 이는 기억과 의지라는 두 가지 측면과 관련된다.
  • 열역학적 시간의 화살: 열역학 제2법칙에 따라 고립된 계의 엔트로피(무질서도)가 시간이 지남에 따라 증가하는 경향성을 나타낸다. 이는 거시 세계에서 가장 뚜렷하게 관찰되는 시간의 방향성이다.
  • 우주론적 시간의 화살: 우주가 계속 팽창하는 방향을 가리킨다. 이는 우주의 시작과 진화 과정과 관련이 깊다.
  • 복사적 시간의 화살: 빛이나 소리와 같은 파동이 일반적으로 근원지로부터 바깥쪽으로 퍼져나가는 현상을 설명한다.
  • 인과적 시간의 화살: 원인은 항상 결과보다 시간적으로 앞서 발생한다는 원리를 나타낸다.
  • 양자역학적 시간의 화살: 양자역학의 측정 과정에서 나타나는 파동 함수 붕괴나 양자 결어긋남과 같은 비가역적인 현상과 관련된다.
  • 입자 물리학 (약한 상호작용) 시간의 화살: 소립자 세계에서 약한 상호작용과 관련된 특정 현상(CP 위반)에서 나타나는 미시적인 시간 비대칭성을 의미한다.

3. 1. 심리적/지각적 시간의 화살

시간 지각과 관련된 정신적 화살은, 자신의 지각이 알려진 과거에서 미지의 미래로의 지속적인 움직임이라는 감각에서 비롯된다. 이 현상은 두 가지 측면을 가진다. 즉, ''기억''(우리는 과거를 기억하지만 미래는 기억하지 못함)과 ''의지''(우리는 미래에 영향을 줄 수 있다고 느끼지만 과거에는 그렇지 않음)이다. 이 두 측면은 시간의 인과적 화살의 결과이다. 과거 사건(미래 사건이 아닌)은 현재의 기억의 원인이며, 외부 세계와 우리 뇌 사이에는 점점 더 많은 상관관계가 형성된다(상관관계와 시간의 화살 참조). 그리고 현재의 의지와 행동은 미래 사건의 원인이다. 이는 엔트로피 증가는 시스템과 주변 환경 간의 상관관계[21]와 적절한 정의 하에서 전체적인 복잡성 증가와 관련이 있다고 여겨지기 때문이다.[4] 따라서 이 모든 것이 시간과 함께 증가한다.

과거와 미래는 심리적으로 추가적인 개념과도 연관된다. 영어는 다른 언어와 마찬가지로 과거를 "뒤", 미래를 "앞"과 연관시키는 경향이 있으며, "여러분들을 맞이할 날을 고대합니다", "그 좋았던 시절을 돌아봅니다", "수년 앞서있다"와 같은 표현을 사용한다. 그러나 "뒤 ⇔ 과거"와 "앞 ⇔ 미래"의 이러한 연관성은 문화적으로 결정된다.[5] 예를 들어, 아이마라어는 용어와 제스처 모두에서 "앞 ⇔ 과거"와 "뒤 ⇔ 미래"를 연관시키는데, 이는 과거가 관찰되고 미래는 관찰되지 않음을 의미한다.[6][7] 마찬가지로, 중국어에서 "모레"를 뜻하는 後天|후천zho(hòutiān)은 문자 그대로 "다음 (또는 뒤) 날"을 의미하며, "그저께"를 뜻하는 前天|전천zho(qiántiān)은 문자 그대로 "앞 (또는 앞에 있는) 날"을 의미하며, 중국어 사용자는 과거를 앞에, 미래를 뒤에 두는 제스처를 자연스럽게 취한다. 하지만 그들이 자아를 과거의 앞쪽에 두는지 뒤쪽에 두는지에 대한 상반된 연구 결과가 있다.[8][9] 과거와 미래를 좌우축에 배치하는 언어는 없지만(예: 영어에는 '*the meeting was moved to the left*'와 같은 표현이 없다), 적어도 영어 사용자는 과거를 왼쪽에, 미래를 오른쪽에 연관시키는데, 이는 좌에서 우로 쓰는 문장 체계에서 유래된 것으로 보인다.[5]

"어제"와 "내일"이라는 단어는 모두 힌디어에서 동일한 단어인 कल|칼hin(kal)[10]로 번역되며, "오늘로부터 [하루] 떨어진 날"을 의미한다.[11] 이러한 모호성은 동사의 시제로 해결된다. परसों|파르손hin(parson)는 "그저께"와 "모레", 즉 "오늘로부터 이틀"을 모두 나타내는 데 사용된다.[12]

तरसों|타르손hin(tarson)는 "오늘로부터 3일"을 나타내는 데 사용되며[13], नरसों|나르손hin(narson)는 "오늘로부터 4일"을 나타내는 데 사용된다.

시간의 심리적 흐름의 다른 측면은 의지와 행동의 영역에 있다. 우리는 미래의 사건의 흐름에 영향을 미치기 위한 행동을 계획하고 종종 실행한다. 루바이야트에서:



움직이는 손가락은 기록하고, 기록한 후,


계속 움직인다: 너의 모든 경건함이나 지혜도


그것을 되돌려 절반의 줄을 지울 수는 없으며,


너의 모든 눈물도 그것의 한 단어를 씻어낼 수 없다.

— 오마르 하이얌(에드워드 피츠제럴드 번역).



2022년 6월, 연구원들은[14] ''Physical Review Letters''에 도롱뇽이 눈이 다른 자극을 인식하는 방식에서 시간의 화살에 대한 직관에 반하는 반응을 보였다고 보고했다.

3. 2. 열역학적 시간의 화살

시간의 화살은 시간의 "단방향성" 또는 "비대칭성"을 의미한다.[33] 열역학 제2법칙은 고립된 계에서 엔트로피가 시간에 따라 증가하는 경향이 있다는 것을 설명하며, 이것이 열역학적 시간의 화살의 근거를 제공한다. 엔트로피는 미시적인 무질서의 척도로 볼 수 있으므로, 제2법칙은 고립된 계에서 시간이 질서의 양에 대해 비대칭적이라는 것을 의미한다. 즉, 시스템은 시간이 지남에 따라 통계적으로 더 무질서해진다. 이러한 비대칭성은 미래와 과거를 구분하는 데 경험적으로 사용될 수 있지만, 엔트로피를 측정하는 것만으로 시간을 정확하게 측정할 수는 없다. 반면, 개방계에서는 시간이 지남에 따라 엔트로피가 감소할 수도 있다.

시간의 T-대칭성 개념을 통해 열역학적 시간의 화살을 이해할 수 있다. 만약 시간이 완벽하게 대칭이라면, 어떤 사건을 녹화한 영상을 앞으로 재생하거나 뒤로 재생해도 모두 현실적으로 보여야 한다.[32][2] 예를 들어, 중력의 영향을 받는 공 던지기는 시간을 되돌려도 자연스럽게 보인다. 하지만 공이 바닥에 튀다가 결국 멈추는 과정은 그렇지 않다. 공이 튀는 동안 운동 에너지는 소멸되고 엔트로피는 증가하는데, 이 과정은 시간을 되돌릴 수 없는 비가역과정이다. 엔트로피 증가는 시간을 되돌릴 수 없는 몇 안 되는 과정 중 하나로 여겨진다.[33][3]

영국의 천체물리학자 아서 에딩턴은 1928년 저서 《물리적 세계의 본질》(The Nature of the Physical World)에서 '시간의 화살'이라는 용어를 대중화했다. 그는 "임의로 화살표를 하나 그려보자. 화살표를 따라갈 때 세상의 상태에서 무작위적인 요소가 점점 더 많아진다면, 그 화살표는 미래를 가리키는 것이다. 무작위 요소가 감소한다면 그 화살표는 과거를 가리킨다"라고 설명하며, 이것이 물리학에서 알려진 유일한 시간 방향의 구분이라고 말했다. 에딩턴에 따르면 이 시간의 화살은 우리의 의식에 의해 뚜렷하게 인식되고, 추론 능력을 통해서도 확인되며, 여러 개체의 조직에 대한 연구, 즉 통계 역학적 현상으로서의 엔트로피에서만 나타난다.

물리학자 숀 캐럴은 그의 저서 《빅 픽처》에서 시간의 비대칭성이 우주의 초기 조건과 관련이 깊다고 주장한다. 그는 빅뱅 직후 우주가 매우 낮은 엔트로피 상태였다는 특별한 초기 조건 때문에 시간의 대칭성이 깨졌다고 설명한다. 이는 마치 지구라는 거대한 질량 때문에 공간의 등방성이 깨져 '위'와 '아래'가 구분되는 것과 유사하다. 이 관점에 따르면, 우리가 경험하는 모든 시간의 화살은 빅뱅이라는 특별한 사건과 그 당시의 낮은 엔트로피 상태로부터 비롯된 결과이다.

영국의 물리학자 Alfred Brian Pippard|알프레드 브라이언 피파드eng 경은 열역학 제2법칙이 통계적으로만 참이라는 견해에 대해, "미시적인 위반은 반복적으로 발생하지만 심각한 규모의 위반은 결코 발생하지 않는다"는 주장이 자주 언급되지만, "어떤 상황에서도 제2법칙이 위반된다는 증거는 제시된 적이 없다"고 반박했다.[45][15] 그럼에도 불구하고, 열역학 제2법칙의 위반 가능성과 관련된 여러 역설이 존재하며, 그중 하나로 푸앵카레 재귀정리가 있다.

열역학적 시간의 화살은 다른 시간의 화살들과 밀접하게 연관되어 있으며, 약한 시간의 화살을 제외한 다른 화살들의 근본적인 기초가 되는 것으로 여겨진다.

Harold F. Blum|해롤드 블룸eng은 1951년 저서 《시간의 화살과 진화》(Time's Arrow and Evolution)에서 열역학 제2법칙과 유기적 진화 사이의 관계를 탐구했다.[46][16] 그는 진화 과정에서 나타나는 비가역성, 방향성, 질서, 네겐트로피 등을 논의하며, 진화가 지구의 무기적 특성과 열역학적 과정에 의해 미리 결정된 패턴을 따른다고 주장했다.[47][17][48][18]

3. 3. 우주론적 시간의 화살

'''우주론적 시간의 화살'''은 우주의 팽창 방향을 가리킨다. 이는 열역학적 시간의 화살과 연결될 수 있으며, 우주가 열적 죽음(빅 칠)을 향해 나아가면서 열역학적 자유 에너지의 양이 거의 없어지는 것과 관련이 있다.

다른 관점에서는, 이 시간의 화살이 우주의 진화 과정에서 현재 우리가 존재하는 위치 때문에 나타나는 현상일 수도 있다(인류 원리 참조). 만약 우주가 팽창을 멈추고 중력에 의해 모든 것이 다시 한 점으로 모이는 빅 크런치가 일어난다면, 이 시간의 화살 방향이 반대로 바뀔 수도 있다.

만약 우주론적 시간의 화살이 다른 시간의 화살들과 연관되어 있다면, '미래'는 정의상 우주가 더 커지는 방향을 의미하게 된다. 따라서 이런 관점에서는 우주는 수축하는 것이 아니라 항상 팽창하는 것으로 정의된다.

열역학적 시간의 화살과 열역학 제2법칙은 우주가 시작될 때의 초기 조건의 결과로 여겨진다.[19] 따라서 시간의 화살 문제는 궁극적으로 우주 전체의 설정과 관련된다.

3. 4. 복사적 시간의 화살

전파나 음파, 또는 연못에 돌을 던졌을 때 퍼져나가는 물결처럼 파동은 일반적으로 그 발원지로부터 바깥쪽으로 퍼져 나간다. 하지만 파동 방정식 자체는 이렇게 바깥으로 퍼져 나가는 복사 파동(radiation wave)뿐만 아니라, 한 점으로 모여드는 수렴 파동(converging wave)의 해(解)도 허용한다.

실제로 파동이 거의 항상 바깥쪽으로만 퍼져 나가는 이 경향을 복사적 시간의 화살이라고 부른다. 이론적으로는 수렴 파동도 가능하며, 매우 정교하게 통제된 실험을 통해 인위적으로 수렴파를 만들어 이 시간의 화살 방향을 반대로 돌릴 수도 있다.[20]

그러나 자연적인 상황에서 수렴파가 관찰되지 않는 이유는, 수렴파를 만들기 위한 초기 조건이 복사파를 만들기 위한 조건보다 훨씬 더 질서정연해야 하기 때문이다. 즉, 수렴파가 자연적으로 발생할 확률은 극히 낮다. 일반적으로 복사파는 엔트로피를 증가시키는 반면, 수렴파는 엔트로피를 감소시킨다. 이러한 이유로 수렴파는 일반적인 상황에서는 열역학 제2법칙(엔트로피 증가의 법칙)과 모순되는 것처럼 보인다. 따라서 복사적 시간의 화살은 열역학적 시간의 화살과 깊은 관련이 있는 것으로 여겨진다.

3. 5. 인과적 시간의 화살

원인은 결과에 선행한다. 즉, 인과적 사건은 그것이 야기하거나 영향을 미치는 사건보다 먼저 발생한다. 예를 들어, 출생은 성공적인 수태 이후에 일어나며 그 반대는 아니다. 따라서 인과 관계는 시간의 화살과 밀접하게 연관되어 있다.

인과 관계를 시간의 화살로 사용하는 데 있어 인식론적 문제는 데이비드 흄이 지적했듯이, 인과 관계 ''자체''를 직접 인지할 수는 없고 단지 사건들의 순서만을 인지할 수 있다는 점이다. 또한 '원인'과 '결과'라는 용어가 실제로 무엇을 의미하는지 명확하게 설명하거나, 그 용어가 가리키는 사건을 정의하는 것은 상당히 어렵다. 그럼에도 불구하고, 물컵을 떨어뜨리는 것이 원인이고 컵이 깨져 물이 쏟아지는 것이 결과라는 점은 비교적 분명해 보인다.

물리적 관점에서 보면, 어떤 계와 그 주변 환경 사이의 상관관계는 엔트로피와 함께 증가하는 것으로 여겨진다. 이는 유한한 계가 환경과 상호작용하는 단순화된 경우에서도 엔트로피와 동등한 것으로 나타났다.[21] 초기에 엔트로피가 낮다는 가정은 사실상 계에 초기 상관관계가 없다는 가정과 같다. 따라서 상관관계는 시간이 미래로 흐를 때만 생성될 수 있으며, 과거로 거슬러 올라가며 생성될 수는 없다. 미래를 제어하거나 어떤 일이 일어나도록 만드는 행위는 행위자와 그 결과 사이에 상관관계를 만들어내며,[22] 이 때문에 원인과 결과 사이의 관계는 열역학적 시간의 화살, 즉 열역학 제2법칙의 결과로 해석될 수 있다.[23] 실제로 앞서 언급한 컵을 떨어뜨리는 예시에서, 초기 조건은 높은 질서(낮은 엔트로피) 상태이지만, 최종 상태는 컵의 깨진 조각, 쏟아진 물, 그리고 컵을 떨어뜨린 물체 등 계의 여러 부분들 사이에 높은 상관관계를 가지게 된다(높은 엔트로피).

3. 6. 양자역학적 시간의 화살

양자 진화는 시간-대칭적인 운동 방정식(슈뢰딩거 방정식 등 비상대론적 근사)과 시간-비가역적 과정인 파동 함수 붕괴에 의해 지배된다. 파동 함수 붕괴는 양자역학의 코펜하겐 해석에서는 실제 과정으로, 다세계 해석이나 관계적 양자 역학에서는 겉보기 현상으로 해석된다.

양자 결어긋남 이론은 열역학 제2법칙 때문에 파동 함수 붕괴가 시간 비대칭 방식으로 일어나는 이유를 설명하며, 이를 통해 열역학적 시간의 화살로부터 양자 시간의 화살을 유도한다.[24] 본질적으로 두 개의 큰 시스템 간에 입자가 산란하거나 상호작용하면, 처음에는 두 시스템의 상대적인 위상이 질서정연하게 관련되지만, 이후 상호작용을 통해 그 관계가 점차 무질서해지면서 두 시스템은 결어긋남 상태가 된다. 즉, 결어긋남은 미시적 무질서가 증가하는 한 형태이며, 엔트로피를 증가시킨다. 열역학 제2법칙에 따라, 한번 결어긋난 두 시스템은 양자 중첩을 통해 다시 상호작용하기 어려우며, 일반적으로 다시 결맞음 상태가 되는 것은 불가능하다.[24] 관계적 양자역학의 관점에서 보면, 관찰자는 측정된 상태와 양자 얽힘 상태가 되고, 이러한 얽힘은 엔트로피를 증가시킨다. 물리학자 세스 로이드는 "시간의 화살은 상관관계가 증가하는 화살이다"라고 말했다.[25][26]

하지만 특수한 상황에서는 결어긋남과 엔트로피를 감소시키는 초기 조건을 만들 수 있다. 2019년 러시아 과학자 팀은 IBM 양자 컴퓨터를 이용한 실험에서 양자 시간의 화살이 역전되는 현상을 보고하며 이를 실험적으로 입증했다. 이는 양자 시간의 화살이 열역학적 시간의 화살에서 비롯된다는 이해를 뒷받침한다.[27] 두 개(나중에는 세 개)의 초전도 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터의 상태를 관찰한 결과, 그들은 85%의 경우에서 2-큐비트 컴퓨터가 초기 상태로 되돌아가는 것을 발견했다.[28] 이러한 상태 반전은 특수한 프로그램을 통해 이루어졌는데, 이는 마치 전자가 무작위적인 마이크로파 배경 변동에 의해 잠시 과거 상태로 돌아가는 것과 유사하다.[28] 그러나 추정에 따르면, 실제 전자의 상태가 이렇게 반전될 확률은 극히 낮아서, 우주의 나이 (137억 년) 동안 단 한 번, 그것도 0.06 나노초 동안만 일어날 것으로 예상된다.[28] 이 실험은 주어진 양자 상태의 복소켤레를 이용하여 상태를 되돌리는 양자 알고리즘의 가능성을 보여주었다.[27]

양자 결어긋남은 양자 파동 함수 붕괴 과정을 가능하게 하는 메커니즘을 설명하지만, 붕괴 자체가 실제로 일어나는 근본적인 현상인지, 아니면 여러 가능성 중 하나가 겉으로 드러나는 현상인지에 대한 해석은 여전히 논쟁거리이다. 그러나 양자 결어긋남 이론 자체는 현재 널리 받아들여지고 실험적으로도 잘 뒷받침되고 있기 때문에, 이러한 해석 논쟁이 시간의 화살 문제 자체와 직접적인 관련이 있다고 보기는 어렵다.[24]

3. 7. 입자 물리학 (약한 상호작용) 시간의 화살

약한 상호작용과 관련된 특정한 소립자 상호작용 중 일부는 반전성(P)과 전하 켤레(C)의 보존을 모두 위반하는 현상(CP 위반)을 보인다. 이러한 현상은 매우 드물게 발생하며, 대표적인 예로 케이온의 붕괴 과정이 있다.[59][29]

물리학의 기본 원리인 CPT 정리에 따르면, CP 대칭성이 깨지는 과정은 필연적으로 시간 역전 대칭(T) 또한 깨뜨려야 한다. 즉, 이러한 상호작용은 시간 비가역적이며, 과거와 미래를 구별하는 명확한 방향성, 즉 '시간의 화살'을 정의하게 된다. 과학자들은 초기 우주에서 중입자 생성 과정을 통해 현재 우주에 물질이 반물질보다 훨씬 많이 존재하게 된 이유를 설명하는 데 이 CP 위반 및 시간 비가역성이 중요한 역할을 했을 것으로 추정한다.

하지만 패리티와 전하 켤레 대칭의 조합(CP)이 깨지는 경우는 극히 드물기 때문에, 이로 인해 발생하는 시간의 화살은 엔트로피 증가와 같은 다른 시간의 화살에 비해 그 방향성이 뚜렷하지 않다. 즉, 한쪽 방향을 "간신히" 가리키는 약한 화살이라고 할 수 있다. 이러한 미시적인 시간 비대칭성이 거시적인 현상과 어떻게 연결되는지는 오랫동안 불분명했으나, 조안 바카로는 T 위반(시간 비대칭성)이 보존 법칙과 동역학에 영향을 미칠 수 있음을 이론적으로 보여주며 그 연관성의 실마리를 제시했다.[60][30]

참조

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