Article 28 (Part 1). 시간은 흐르는 것인가?

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시간은 우리에게 아주 익숙하여 의미를 이해할 필요가 없는 존재이다. 하지만 조금 생각해보면 시간이 흐르는 것을 볼수도 없고 만질수도 없다. 그러면 보이지도 않는 이러한 시간은 누가 정했으며, 물리학자들은 어떻게 규정하고 있는지, 시간이 흐르는 것은 맞는지? 다소 철학적일수 있다고 생각할지 모르지만 아주 과학적으로 접근할 것이다. 

 

들어가 보자

 

 

Part 1
1. 시간은 유일하지 않다
2. 아리스토텔레스의 상대적 시간
3. 뉴턴의 절대적 시간
4. 아인슈타인의 상대론적 시간

Part 2
6. 시간의 정의
7. 엔트로피
8. 시간의 방향성
9. 지금의 의미

1. 시간은 유일하지 않다.

 

시간은 우리가 흔히 생각하듯 일정하게 흐르는 절대적인 것이 아니다. 실제로 시간은 장소와 상태에 따라 다르게 흐른다. 예를 들어 지구에서는 중력의 영향으로 낮은 곳일수록 시간이 더 느리게 흐르고, 높은 산에서는 조금 더 빠르게 흐른다. 그래서 평지에 고 있는 사람이 산에서 살고 있는 사람보다 시간이 짧아서 덜 늙어 있다. 또한 시계가 탁자 위에 있을때가 바닥에 있을때 보다 솜털 만큼 더 느리다. 이 차이는 매우 작지만 정밀한 시계로 측정할 수 있으며, 결국 같은 나이라도 서로 다른 환경에서 살면 실제로 겪은 시간의 양이 달라진다. 이것은 중력 때문이라고 "Article 19(Part 2). 우리의 공간은 휘어져 있다." 논의한바 있다.

 

Article 19 (Part 2). 우리의 공간은 휘어져 있다.

Article 19 (Part 2). 우리의 공간은 휘어져 있다.

 

1세기전에 아인슈타인은 보지도 않고 원자시계도 없이 시간이 느려진다는 것을 알았다. 아인슈타인은 태양과 지구는 서로 접촉하지도 않고, 그 사이에는 아무것도 없는 것처럼 보이지만 두 물체가 직접 힘을 주고받는 것이 아니라, 그 사이에 있는 어떤 ‘구조’가 변하고, 두 물체는 그 변화에 반응한다고 생각했다. 이는 마치 물속에 물체를 넣으면 주변 물이 흐트러지는 것과 비슷하다. 아인슈타인은 이 ‘구조’를 바로 시간과 공간의 결합, 즉 시공간으로 보았고, 그 변화가 물체의 운동을 결정한다고 생각했다.

여기서 말하는 ‘시간의 구조 변화’는 곧 시간의 지연을 의미한다. 모든 물체는 자신의 주변 시간을 조금씩 느리게 만들며, 질량이 클수록 그 효과는 커진다. 지구 역시 거대한 질량을 가진 존재이기 때문에 주변의 시간을 늦춘다. 그래서 지구 중심에 더 가까운 평지에서는 시간이 더 많이 느려지고, 중심에서 더 먼 산에서는 상대적으로 덜 느려진다. 이 때문에 같은 시간을 살아도 평지에 있는 사람이 아주 미세하게 덜 늙는 결과가 나타난다.

 

 

 

이러한 시간 차이는 단순한 이론이 아니라 실제 물체의 운동에도 영향을 준다. 물체가 아래로 떨어지는 이유 역시 힘 때문이라기보다 시간이 더 느리게 흐르는 방향으로 이동하기 때문이라고 볼 수 있다. 시간이 균일하게 흐르는 공간에서는 물체가 특별히 떨어지지 않지만, 지구처럼 시간의 흐름이 위치에 따라 달라지는 곳에서는 자연스럽게 ‘아래쪽’, 즉 시간이 더 느린 방향으로 움직인다. 우리가 서 있을 때 발이 바닥에 붙어 있는 것도 몸 전체가 더 느린 시간 쪽으로 끌려가기 때문이다. 이때 발 쪽의 시간은 머리 쪽보다 실제로 더 천천히 흐른다.

 

 

 

물리학에서는 이런 시간을 보통 t 로 표현하고, 이는 시계로 측정되는 값을 의미한다. 그런데 문제가 생긴다. 서로 다른 위치에 있는 시계들이 서로 다른 속도로 간다면, 과연 어떤 시간이 ‘진짜 시간’일까? 예를 들어 산과 평지에서 살던 두 사람이 다시 만났을 때 각자의 시계는 서로 다른 시간을 가리킨다.

 

Credit:  J. Wang/NIST

 

실험실에서도 시계를 탁자 위와 바닥에 두면 서로 다른 속도로 흐른다. 그렇다면 어느 쪽이 기준이 되는 시간으로 봐야하는지 아인슈타인의 결론은 명확하다. 하나의 기준이 되는 시간은 존재하지 않으며, 공간의 각 지점마다 서로 다른 시간이 존재한다. 즉 시간은 하나가 아니라 무수히 많고, 각각의 위치와 상태에 따라 다르게 흐른다. 이것이 일반 상대성이론이 보여주는 시간의 모습이다.

 

이처럼 시간은 절대적인 흐름이 아니라 상황에 따라 달라지는 상대적인 개념이기 때문에, 과거와 미래를 명확히 가르는 기준 또한 쉽게 정의되지 않는다. 실제로 19세기와 20세기 물리학자들은 이러한 문제에 직면하며 큰 혼란을 겪었다. 더 놀라운 점은, 세상의 기본 법칙들과 물리 방정식들 속에는 과거와 미래의 구분이 존재하지 않는다는 사실이다. 사건이 한 방향으로 일어날 수 있다면, 이론적으로는 그 반대 방향으로도 가능하기 때문이다.

 

결국 우리가 느끼는 시간의 흐름과 과거·미래의 차이는 자연 법칙 그 자체에서 나온 것이 아니라, 우리가 세계를 바라보는 방식과 조건 속에서 드러나는 현상이라고 볼 수 있다.

모든 사람이 동일한 시간을 가지고 있어 약속한 시간에 만나고 스케줄링을 하고 있는데 있는데, 믿기 힘들수도 있다. 그러나 시간이 있는 우리의 세상은 그렇다. 그래서 이러한 시간에 대한 의문은 고대에서부터 시작되었다.

 

 2. 아리스토텔레스의 상대적 시간

 

 

 

아리스토텔레스는 시간의 본질을 처음으로 깊이 탐구한 인물로, 시간을 ‘변화의 척도’라고 보았다. 세상의 모든 사물은 끊임없이 변하고, 우리는 그 변화를 측정하고 이해하기 위해 시간을 사용한다는 것이다. 우리가 “언제?”라고 묻는 것도 결국 어떤 변화를 기준으로 삼는 것이다. 예를 들어 “사흘 뒤에 돌아온다”는 말은 태양이 세 번 뜨고 지는 변화를 기준으로 시간을 설명하는 것이다.

 

 

그의 관점에 따르면 시간은 독립적으로 존재하는 것이 아니라, 변화와 함께 정의된다. 따라서 만약 아무것도 변하지 않고, 어떤 움직임도 없다면 시간 역시 존재하지 않는다. 시간은 사건의 흐름을 재는 도구이기 때문에, 변화가 사라지면 시간을 측정할 기준도 사라진다는 것이다.

 

 

하지만 아리스토텔레스는 한 걸음 더 나아가, 외부 세계가 완전히 고요하더라도 시간의 개념이 완전히 사라지지는 않는다고 보았다. 그는 저서 『자연학(physique)』에서, '운동 전후를 계측한 수'라고 정의하고, 외부의 변화가 없더라도 우리 마음속에서 생각이나 인식의 변화가 일어난다면 우리는 여전히 시간이 흐르고 있다고 느낀다고 설명한다. 즉 시간은 단순히 물리적 움직임뿐 아니라, 내면의 변화에도 의존한다.

 

결국 그의 결론은 명확하다. 시간은 어떤 절대적인 실체가 아니라, 변화를 측정하는 방식이며, 움직임이 없다면 시간도 존재하지 않는다. 다시 말해 시간은 독립적으로 흐르는 것이 아니라, 변화가 남긴 ‘흔적’에 가깝다.

 

3. 뉴턴의 절대적 시간

 

 

아이작 뉴턴은 시간에 대해 아리스토텔레스와는 정반대의 입장을 취했다. 그는 『자연철학의 수학적 원리 (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) 』에서 시간과 공간을 따로 정의하지는 않았지만, 사람들이 이를 사물과의 관계 속에서 이해하면서 생기는 혼란을 지적하며, 절대적인 것과 상대적인 것을 구분해야 한다고 주장했다.

 

 

뉴턴은 우리가 일상에서 사용하는 시간, 즉 날짜나 운동을 기준으로 측정하는 시간이 존재한다는 점을 인정했다. 그러나 그는 그와는 별개로, 사물의 변화와는 전혀 무관하게 흐르는 ‘절대 시간’이 있다고 보았다. 이 시간은 어떤 일이 일어나든, 심지어 모든 것이 정지하고 우리의 의식마저 멈춘다 해도 동일한 속도로 계속 흐르는 절대적인 시간이다. 이는 변화가 있어야만 시간이 존재한다고 본 아리스토텔레스의 생각과 근본적으로 대립된다.

 

 

또한 뉴턴에게 시간은 단순한 천문 현상의 반복과 같은 기준에 의존하지 않는다. 실제로 하루의 길이는 완전히 일정하지 않지만, 우리는 편의상 이를 일정하다고 가정해 시간을 측정한다. 따라서 보다 정확한 측정을 위해 천문학자들은 이러한 오차를 보정한다. 이처럼 뉴턴의 시간은 자연 현상에 의존하는 것이 아니라, 그 자체로 독립적인 기준으로 존재한다.

 

이 개념은 공간에 대한 생각에서도 동일하게 드러난다. 뉴턴은 사물과 관계없이 존재하는 ‘빈 공간’을 인정했다. 물체가 없어도 공간은 그대로 남아 있으며, 그 안에서 물체의 위치와 운동이 정의된다고 본 것이다. 반면 아리스토텔레스는 공간을 사물들의 관계로 이해했기 때문에, 아무것도 없는 ‘빈 공간’이라는 개념 자체를 받아들이지 않았다. 그의 입장에서는 두 물체 사이에 아무것도 없다면 그것은 성립할 수 없고, 반드시 어떤 것이 채워져 있어야 한다.

 

결국 뉴턴은 시간과 공간을 사물과 독립적으로 존재하는 절대적인 틀로 보았고, 그 위에서 모든 운동을 설명하려 했다. 이러한 관점은 이후 고전 물리학의 기초가 되었으며, 오늘날 우리가 자연스럽게 받아들이는 시간 개념 역시 이 영향 아래 형성된 것이다.

 

4. 아인슈타인의 상대론적 시간

 

아인슈타인의 연구는 아리스토텔레스와 뉴턴의 서로 다른 시간 개념을 하나로 묶는 데 중요한 역할을 했다. 뉴턴이 말한 것처럼 시간과 공간은 실제로 존재하지만, 그것이 세상과 완전히 분리된 절대적인 배경은 아니다. 아인슈타인에 따르면 시간과 공간은 ‘시공간’이라는 하나의 구조를 이루며, 이는 곧 중력장과 같은 것이다. 즉 시공간은 단순한 무대가 아니라, 물질과 상호작용하며 변화하는 역동적인 존재다.

 

이 시공간은 고정되어 있지 않고, 질량에 의해 구부러지고 늘어나며 변형된다. 질량이 큰 물체 주변에서는 시공간이 더 크게 휘어지고, 그 결과 시간도 더 느리게 흐른다. 따라서 무거운 물체 근처에서는 시계가 실제로 더 천천히 간다. 이런 점에서 시간은 더 이상 모든 곳에서 동일하게 흐르는 것이 아니라, 중력장의 상태에 따라 달라지는 것이다.

 

일반상대성이론 : 중력에 의한 시간의 변화(중력장 속의 시간)

 

 

아인슈타인은 시공간을 흔히 ‘탄력 있는 천’에 비유했다. 이 천이 무거운 물체에 의해 눌리거나 휘어지면, 그 위를 움직이는 물체들의 경로도 함께 바뀐다. 

 

거대한 물체는 공간-시간을 휘게 하는데, 이는 무거운 공이 늘어진 천 조각이 움푹들어간 것과 같다. (출처: NASA/GSFC/J. Friedlander)

 

우리가 물체가 떨어진다고 느끼는 현상 역시 이 휘어진 시공간을 따라 움직이는 결과다. 이는 뉴턴의 중력 이론보다 더 깊이 있게 중력과 낙하를 설명해준다.

 

 

 

또한 이러한 시공간의 휘어짐 때문에 앞서 설명된 것처럼 위치에 따라 시간의 흐름도 달라지고, 광원뿔 같은 구조가 기울어지게 된다.(시공간 그림은 Part 2에서 좀더 자세히 보도록하자)

 

시공간

 

 

이러한 관점에서 보면 시간은 공간과 분리된 독립적인 것이 아니라, 하나의 기하학적 구조 안에 포함된 요소다.

 

시간과 공간은 하나의 시공간 속에 있다.

 

 

 

아인슈타인은 이 점에서 두 철학자의 생각을 부분적으로 모두 옳다고 보았다. 뉴턴처럼 시간과 공간이 실제로 존재한다는 점은 맞지만, 그것이 모든 것과 무관하게 일정하게 흐른다는 생각은 틀렸다. 반대로 아리스토텔레스가 말한 것처럼 ‘언제’와 ‘어디’가 항상 어떤 관계 속에서 정해진다는 점은 옳지만, 그 관계의 대상은 단순한 사물이 아니라 시공간 자체일 수 있다.

 

 

이 이론은 이후 수많은 실험을 통해 검증되었고, 중력장이 시계의 속도와 물체의 운동에 영향을 준다는 사실도 반복적으로 확인되었다. 그러나 이러한 성공에도 불구하고 아인슈타인은 자신의 이론이 완전한 설명이 아니라는 점을 깨달았다. 1915년에 일반 상대성이론을 완성한 뒤, 그는 곧 시공간 역시 다른 물리적 대상들처럼 양자적 성질을 가져야 한다고 보았다. 즉 시공간도 더 근본적인 이론 속에서는 불확정성과 중첩 같은 양자적 특징을 가져야 한다는 것이다.

 

결국 아인슈타인의 이론은 시간과 공간을 하나의 역동적인 구조로 이해하게 만들었지만, 동시에 그것이 최종적인 답이 아니라는 사실도 드러냈다. 시간은 더 이상 독립적으로 흐르는 절대적인 것이 아니라, 물질과 상호작용하며 변화하는 존재가 되었고, 현대 물리학은 그보다 더 깊은 수준에서 시간의 본질을 탐구하고 있다.

 

불안정한 시간은 어떻게 만들어지고 정해졌고 과거와 미래에 대해서 Part 2에서 좀 더 알아보도록 하자

 

Part 1
1. 시간은 유일하지 않다
2. 아리스토텔레스의 상대적 시간
3. 뉴턴의 절대적 시간
4. 아인슈타인의 상대론적 시간

Part 2
6. 시간의 정의
7. 엔트로피
8. 시간의 방향성
9. 지금의 의미

 

Reference

1. 시간은 흐르지 않는다. 카를로 로벨리 저(2019)

2. The Order of Time – Carlo Rovelli

3. 시간은 존재할까?, 아이뉴턴.2024.3.1(p144)

4.Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica – Isaac Newton

5. Physics – Aristotle

6. Relativity: The Special and the General Theory – Albert Einstein

7. Lectures on Gas Theory – Ludwig Boltzmann