시간의 역사(스티븐 호킹) 요약 및 서평

1. 작가소개

스티븐 호킹(Stephen William Hawking)
1942년 1월 8일영국 옥스퍼드 출생. 1962년 옥스퍼드대학을 졸업, 케임브리지대학 대학원에서 물리학 전공. 1963년, 루게릭병(근위축증)에 걸렸다는 진단과 함께 1∼2년밖에 살지 못한다는 시한부인생을 선고받았다.

우주물리학에 몰두하여 1973년 ‘블랙홀은 검은 것이 아니라 빛보다 빠른 속도의 입자를 방출하며 뜨거운 물체처럼 빛을 발한다’는 학설을 내놓아, 블랙홀은 강한 중력을 지녀 주위의 모든 물체를 삼켜버린다는 종래의 학설을 뒤집었다.

1974년 영국왕립학회 회원이 되고, 1979년 뉴턴·디랙에 이어 케임브리지대학 루카스 석좌교수가 되었다.  ‘특이점(特異點) 정리’ ‘블랙홀 증발’ ‘양자우주론(量子宇宙論)’ 등 현대물리학에 3개의 혁명적 이론을 제시하였고, 세계물리학계는 물리학의 계보를 갈릴레이, 뉴턴, 아인슈타인 다음으로 그를 꼽게 되었다.

그는 계속 미시(微視)의 세계를 지배하는 양자역학(量子力學)과 거시(巨視)의 세계인 상대성이론을 하나로 통일하는 통합이론인 ‘양자중력론’ 연구하였다. 「블랙홀과 아기우주」「시간과 공간에 관하여」등을 저술.

2. 책 소개

스티븐 호킹이 집필하여, 전 세계적으로 1000만부 이상이 팔려나간 베스트셀러로, 호킹의 가장 대표적인 저서라고 할 수 있다. 사실 '시간의 역사'가 처음 출판된 시기는 1988년인데, 그 이후 십 수 년 동안 이루어진 과학의 발전과 더불어 저자의 이해가 깊어진 결과로 후반부의 내용이 보강 · 수정되었으며, 여기에 독자들이 더욱 쉽게 이해할 수 있는 데에 도움이 되는 여러 사진과 삽화를 첨가하여 나온 것이 바로 '그림으로 보는 시간의 역사'이다.

이 책의 내용은 크게 '우주란 어떤 모양이며 어떤 형태로 변화하고 있는가', '우주를 구성하고 있는 요소는 무엇이며 그 요소들은 어떻게 운동 하는가', 그리고 '이러한 우주와 그 구성요소들의 운동을 모순됨이 없이 한 번에 기술 가능한 이론은 없는가'의 3가지 물음에 대한 내용을 담고 있다

'시간의 역사'는 고대부터 최근 1990년대까지 물리학의 발전과정을 다루고 있는데, 대중과학서인 만큼 이론마다의 분석과 세부적인 내용을 기술하기보다는 전체적인 흐름을 설명한다. 그럼에도 불구하고 최근의 이론들은 대강의 내용을 파악하는 것만도 어려운 것이 사실이다. 그림들과 호킹 박사의 뛰어난 설명으로 인해 일반 대중들도 비교적 쉽게 이해할 수 있다는 말이 있지만 읽기에 쉽지 않고, 일반인으로서는 놀라운 내용일 수밖에 없기에 편하게 페이지를 넘기기는 어렵다

3. 차 례

1장. 우리의 우주상
2장. 시간과 공간
3장. 팽창하는 우주
4장. 불확정성 원리
5장. 소립자와 자연의 힘들
6장. 블랙홀
7장. 블랙홀은 그다지 검지 않다
8장. 우주의 기원과 운명
9장. 시간의 화살
10장. 벌레구멍과 시간여행
11장. 물리학의 통일
12장. 결론

 

4. 내용요약

1장 우리의 우주상

우주상의 기원전 340년 그리스 철학자 아리스토텔레스의 저서 「천구에 관하여」에서 처음 등장하였다. 그는 지구가 편평한 판이 아니라 둥근 구라고 말하였는데, 그 증거로 첫째, 월식 때에 달에 나타나는 지구의 그림자가 항상 둥근 모습을 띠는 것은 지구가 구형일 때에만 설명될 수 있다는 것이다. 둘째, 북극성은 북쪽지방에서 관측할 때보다 남쪽지방에서 관측할 때 더 낮게 보인다는 것이다. 셋째, 지구가 둥글지 않다면 수평선 너머에서 해안으로 다가오는 배가 처음에는 돛만 보이다가 점차 선체가 드러나는 사실이다.

아리스토텔레스는 지구가 정지해 있고 태양, 달, 행성, 그리고 항성들이 지구의 주위를 원궤도를 그리며 회전한다고 생각하였고, 이는 기원후 2세기에 프톨레마이오스에 의해서 정교화되어 완전한 우주모형으로 수립되었다. 하지만 이 모형은 큰 결함을 가진 가설을 세워야 했는데, 이는 달이 때로는 평상시보다 두 배나 지구에 접근하는 궤도를 운행한다는 것이다.

이 가설에 따르면 때로는 달이 두 배나 크게 보여야 하지만 실제는 그렇지 않았다. 그럼에도 불구하고 이 가설은 기독교 교회에 의해서 성서에 부합하는 우주상으로 받아들여졌다. 1514년 니콜라우스 코페르니쿠스는 다른 모형을 제시하였는데, 태양이 중심에 고정되어 있고, 지구와 행성들이 태양의 주위를 원궤도를 그리며 회전한다는 것이다. 이는 1세기가 지난 후 요한네스 케플러와 갈릴레오 갈릴레이에 의해 받아들여졌다.

이러한 우주상의 변화 속에 우주의 기원에 관한 문제가 등장하게 된다. 고대 우주론과 유대교/기독교/이슬람교의 전통에 따르면, 우주는 글 멀지 않은 유한한 과거의 어느 때에 시작되었다. 그렇기 위하여 우주의 존재를 설명한 “조물주”의 개념이 필요했다. 다른 한편, 아리스토텔레스를 비롯한 그리스 철학자들은 창조하는 개념을 좋아하지 않았다.

그들은 인류를 비롯해서 우리를 둘러싸고 있는 세계가 늘 존재해왔으며 영원히 존재할 것이라고 믿었다. 역사를 통해 어느 쪽의 입장도 관측되는 사실을 설명하는 것이 가능하였다.  1929년 에드윈 허블이 멀리 떨어진 은하들이 시선이 닿는 모든 곳에서 빠른속도로 멀어지고 있다는 사실을 발견하였다. 그에 따르면 우주는 100억년에서 200억년 사이에 우주는 모든 은하들이 같은 장소에 정확하게 몰려 있었던 빅뱅의 시기가 있었음을 시사한다.

2장 시간과 공간

물체의 운동에 대한 우리의 지식의 뿌리는 갈릴레오와 뉴턴에게로 거슬러 올라간다. 그들의 등장 이전에는 사람들은 물체의 자연스러운 상태는 멈춰있는 상태이고 어떤 힘이나 충격에 의해서만 그 물체가 움직이게 된다는 아리스토텔레스의 설명을 믿었다.

갈릴레오 이전에는 아무도 무게가 다른 물체가 다른 속도로 떨어지는지 여부를 관찰하려하지 않았다. 갈릴레오가 피사의 사탑에서 추를 떨어뜨려서 아리스토텔레스의 생각이 잘못임을 입증했다고 하지만, 이 이야기는 사실무근이다. 다만 비슷한 취지에서 실험을 하였는데, 매끄러운 경사면에서 서로 다른 무게의 공을 굴렸다.

이 실험을 통해 갈릴레오는 떨어지는 모든 물체는 그 무게와 관계없이 같은 비율로 속도가 증가한다는 사실을 입증해주었다. 또한 천문학자 데이비드 스콧은 공기가 없는 달에서 깃털과 납덩어리를 동시에 떨어뜨리는 실험을 하여 이 사실을 더욱 확실히 하였다. 뉴턴은 이러한 사실을 바탕으로 그의 저서 「프린키피아」에서 제1, 2법칙에 대하여 기술하게 된다.

또한 뉴턴은 정지에 대한 절대적인 기준이 없음을 말하고 있다. 이 말은 서로 다른 시간에 일어난 두 사건이 공간상 같은 위치에 발생한 것인지를 결정할 수 없음을 뜻한다. 예를 들어 전차 위의 탁구공이 1초동안 같은장소에서 2번 튀겼다고 가정하면 선로에 있는 사람에게는 간격을 두고 이루어진 것처럼 보일 것이다.

아인슈타인의 상대성이론은 시간과 공간에 대한 관념을 혁명적으로 바꾸어 놓았다. 시간과 공간은 서로 독립적이지 않으며, 시간과 공간이 결되어 시공이라 부르는 하나의 대상을 형성한다. 공간상의 한 점의 위치를 세 개의 숫자 또는 좌표로써 기술할 수 있다. 하지만 달의 위치를 규정할 때, 어느 지점으로부터 북쪽으로 몇 마일, 서쪽으로 몇 마일, 해발고도 몇 피트 식으로 말하지 않고 태양으로부터의 거리, 행성 궤도면으로부터 거리, 달과 태양을 잇는 선과 태양을 켄타우루스 자리 알파별과 같은 가까운 별에 잇는 선 사이의 각도로 기술한다.

이처럼 한 위치를 위하여 세 개의 좌표(를 사용한다. 하지만 사건은 다르다. 사건은 세 개의 공간좌표와 시간 척도를 사용한다.(4차원) 4차원이라는 공간을 머리 속에 그리는 것은 불가능하다. 이를 위하여 두 개의 공간좌표를 무시하거나 투시화시켜 단순화 시켜 생각하는 것이 필요하다.

상대성이론에서 재미있는 예측 중 하나는 시간은 지구처럼 질량이 큰 물체 근처에서 느리게 가는 것처럼 보인다는 것이다. 이 예견은 1962년에 검증되었는데, 급수탑의 꼭대기와 맨 밑에 장치한 정밀한 두 시계에서 맨 밑의 시계가 느리게 간다는 사실이 확인 되었다.

3장 팽창하는 우주

오늘날의 우주상이 확립된 것은 1924년의 일이다. 대부분의 사람들은 은하들이 매우 임의 적으로 움직인다고 생각했고, 적색편이되는 스펙트럼과 청색편이 되는 스펙트럼의 수를 비슷하게 발견할 수 있을 것이라고 예상 했다. 하지만 놀랍게도 대부분의 은하들은 적색편이 되는 모습을 나타냈다. 다시 말하면 모든 은하는 우리로부터 멀어지고 있는 것이다.

더욱 놀라운 것은 은하의 적색편이의 크기마저도 임의적이지 않고 우리와의 거리에 정비례한다는 것이다. 이러한 사실로 그전까지 사람들이 생각한 것 같이 우주는 정적인 것이 아니며 팽창하고 있다는 것을 확인하게 되었다. 풍선에 점을 찍어놓고 계속 바람을 불어넣는 것으로 쉽게 이해할 수 있는 데, 풍선이 팽창하면 점 사이의 거리는 점차 늘어난다. 하지만 팽창의 중심이라고 할 수 있는 점은 없으며, 멀리 떨어져있는 점일수록 멀어지는 속도가 빠르다.

이후 프리드만, 로버트슨, 아서 워커에 의해 3가지 유형의 모형이 등장한다. 첫번째는 우주의 팽창속도가 아주 느려서 은하들 사이의 인력이 팽창에 영향을 미쳐서 느려지다가 끝내 정지하게 된다. 따라서 은하들은 서로를 향해 이끌리게 되고 인접하게 되고, 거리는 다시 0으로 줄어든다.

두번째는 우주가 빠른 속도로 팽창해서 인력이 팽창속도를 둔화시킬 수는 있지만 정지시키지는 못한다. 꾸준한 속도로 멀어지는 것이다. 마지막으로 세 번째 유형에서는 우주가 재수축을 간신히 면하는 속도로 계속 팽창한다. 세가지중 실제 우리 우주의 모습이 어떤 것인가에 대한 확실한 답은 없다. 하지만 현재 우주가 10억년마다 5～10%사이의 크기로 팽창한다는 것이 사실의 전부이다.

6장 블랙홀

블랙홀이라는 단어는 1969년 존 휠러에 의해 만들어졌다. 빛의 속도가 유한하다는 뢰머의 발견이후 중력이 빛에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 알게 되었다. 이러한 가정하에서 캠브리지 대학의 존 미첼은 논문을 통해 충분한 질량과 밀도를 갖춘 별은 강한 중력장을 가지기 때문에 빛조차도 그 별을 빠져나오지 못할 것이라고 했다.

그 별의 표면에서 방출된 모든 빛은 별을 빠져나오기 전에 그 별에 인력에 의해 다시 이끌리게 될 것이다. 바로 이러한 천체를 블랙홀이라고 부른다. 그렇게 부르는 이유는 그러한 천체는 우주 공간 속에서 검은 공동(空洞)으로 보이기 때문이다. 블랙홀은 별의 생성, 붕괴와 관련되어 있는 데,  찬드라세카르, 란다우의 연구를 통해 백색왜성, 중성자별의 존재가 발견된다.

찬드라세카르의 한계(태양질량의 1.5배)를 넘어서는 거대한 별의 붕괴와 관련되어 한계를 넘는 별의 경우 그 붕괴를 막을 수 없다는 것을 증명했다. 오펜하이머의 연구에 따르면 별이 특정한 임계 반경 이내로 줄어들면, 표면의 중력장이 너무 강해져서 빛은 별의 표면을 빠져나오지 못한다는 것을 알아냈다.

상대성이론에 따르면 그 무엇도 빛보다 빠른 속도로 달릴 수 없기 때문에, 빛이 빠져나올 수 없다면 그 어떠한 것도 별을 탈출 할 수 없게 되는 것이다. 그 별은 그곳을 빠져나와 멀리 떨어진 관측자에게 도달할 수 없는 사건의 집합, 즉 시공의 영역을 가진 것이다. 이 영역을 우리가 블랙홀이라고 부르는 것이다.

9장 시간의 화살

시간의 화살에는 세가지 종류가 있다. 첫째는 무질서도나 엔트로피가 증가하는 시간의 방향을 가리키는 열역학적 시간의 화살, 두 번째는 심리적 시간의 화살인데, 이것은 우리가 시간이 흐른다고 느끼는 방향, 미래가 아니라 과거를 기억하는 방향이다. 마지막으로 우주론적 시간의 화살이 있다. 이것은 우주가 수축하는 것이 아니라 팽창하는 시간의 방향이다.

가장 먼저 열역학적 시간의 화살을 보면 열역학 제2법칙은 질서있는 상태보다 무질서한 상태들이 항상 더 많다는 사실에 기인한다. 하나의 질서있는 상태에서 시간이 흐르면 무질서한 상태가 더 많아져서, 체계가 무질서한 상태가 될 가능성이 더 높다. 우리의 머리는 과거를 기억한다.

이 말은 심리적 시간의 화살은 열역학적 시간의 화살에 의해 결정된다는 것이다. 예를 들어 탁자에서 떨어져 컵이 깨지는 것을 생각해보자. 열역학적 시간의 화살에 따라 컵은 탁자에서 떨어져 깨진다. 하지만 시간에 따라 무질서도가 감소한다면 컵이 다시 합쳐져서 탁자에 올라앉는 모습을 보게 된다. 그렇다면 우리의 뇌는  다시 합쳐지는 미래를 기억할 것이다. 사람들은 거꾸로 된 심리적 시간의 화살을 가지게 될 것이다. 이러한 이유로 열역학 제2법칙이 당연하게 되는 것이다.

또한 우주론적 시간의 화살도 열역학적 시간의 화살과 방향을 같이 한다. 다시 말하면 무질서는 우주가 팽창하는 시간의 방향과 같은 방향으로 증가한다.

12장 결론

우리는 주위에서 볼 수 있는 것들을 이해하고 싶어하고 이러한 물음을 던지고자 한다.
‘우주의 본질은 무엇인가?’, ‘그 속에서 우리의 자리는 어디이며, 우주와 우리는 어디에서 왔는가?’, ‘우주가 지금의 모습을 하고 있는 까닭은 무엇인가?’

이러한 물음에 답하기 위해 우리는 세계상을 채택한다. 1장에 언급된 무한한 거북의 탑등이 이에 해당한다. 우주를 설명하고 기술하려던 가장 오래된 이론적 시도는 정령에 의한 제어였다. 하지만 사람들은 규칙성을 깨닫게 되었다. 시간이 흐르면서 점차 많은 규칙성과 법칙이 발견되었다.

오늘에 이르기까지 대다수의 과학자들은 우주가 무엇인가를 기술하는 새로운 이론을 개발하는 데에 너무 집착한 나머지 우주가 왜 존재하는 가라는 물음은 제가 하지 못하였다. 또한 철학자들은 과학이론의 진전을 따라잡을 수 없었다. 18세기의 철학자이 과학을 포함하였던 것과는 달리 19, 20세기에 과학은 극소수의 전문가들의 것이 되고 말았다.

또한 철학은 자신들의 연구범위를 너무 축소시켜 ‘철학에 남겨진 유일한 임무는 언어분석뿐이다’라는 말까지 나오게 되었다. 완전한 이론의 발견을 위해서는 철학자, 과학자, 일반인들의 폭넓은 원리로서의 이해가 필요하다.

 

자료정리 : 황호영 nakta43@naver.com
 출처: SPR 경영연구소