시간은 과연 한 방향으로만 흐르는 것일까?

철학자와 과학자들이 오랫동안 탐구해온 이 질문에 대한 새로운 단서가 발견됐다. 영국 서리대학교(University of Surrey)의 최신 연구는 시간이 단순히 미래로만 향하는 선형적 흐름이 아닐 가능성을 제시하며, 기존의 통념을 흔들고 있다.

우리는 과거에서 미래로 흐르는 '시간의 화살'에 익숙하다. 현실 세계에서는 깨진 유리잔이 원래대로 돌아가지 않고, 엎질러진 물이나 우유가 저절로 컵에 다시 담기는 일은 결코 일어나지 않는다. 그러나 양자 세계에서는 상황이 달라진다. 물리학의 기본 방정식은 시간이 거꾸로 흘러도 동일하게 작동하는 대칭성을 갖는다. 즉, 시간이 앞으로 흐르든 뒤로 흐르든 법칙 자체는 변하지 않는다는 것이다.

서리대학교의 안드레아 로코 물리학 박사는 "엎질러진 우유가 테이블 위로 퍼지는 과정을 보면 시간이 앞으로 흐른다는 것을 알 수 있다. 하지만 영화처럼 되감아 보면 즉시 뭔가 잘 못 됐다는 것을 알 수 있다. 우유가 다시 유리 잔에 모일 것이라고 믿기 때문이다"라며 우리의 직관과 물리학 법칙 사이의 괴리를 지적했다. 이는 우리가 경험하는 거시 세계와 양자 세계 사이에는 분명한 간극이 존재한다는 것을 보여준다.

양자, 시간의 방향을 묻다

연구팀은 '개방 양자 시스템'이라는 개념에 주목했다. 양자 시스템(아원자 세계)이 주변 환경과 상호 작용하는 방식을 연구하는 분야다. 그들은 우리가 왜 시간을 한 방향으로만 인지하는 지, 그리고 이러한 인식이 양자 역학의 법칙에서 비롯되는 것인지, 아니면 환경과의 상호 작용의 결과인지 탐구했다.

연구팀은 환경을 외부 요인으로 취급하고 양자 시스템 자체에만 집중해 문제를 단순화했다. 그들은 우주 전체와 같은 환경이 너무 커서 에너지와 정보가 그 안으로 흩어져 다시는 시스템으로 돌아오지 않는다고 가정했다. 이러한 모델을 통해 시간이 이론적으로 양방향으로 흐를 수 있음에도 불구하고 양자 세계에서 시간의 방향이 어떻게 나타나는 지 탐구할 수 있었다. 이는 마치 우리가 우주라는 거대한 영화의 한 장면을 보고 있는 것과 같다고 볼 수 있다.

시간, 두 갈래 길에서 방황하다

놀랍게도 연구 결과는 기존의 통념을 완전히 뒤집었다. 환경과의 상호작용을 고려하더라도, 개방 양자 시스템을 설명하는 방정식은 시간이 앞으로 움직이든 뒤로 움직이든 동일하게 작용했다. 이는 시간이 반드시 한 방향으로만 흐른다는 가설이 절대적인 것이 아닐수도 있음을 시사한다.

토마스 구프 박사후 연구원은 "개방 양자 시스템을 설명하는 방정식에 표준적인 단순화 가정을 적용한 후에도 방정식이 시스템이 시간상 앞으로 움직이든 뒤로 움직이든 동일하게 작용했다는 것이 놀라웠다"며 뜻밖의 연구 결과가 나왔음을 강조했다. 이는 우리가 흔히 생각하는 '시간의 화살' 개념에 대한 근본적인 질문을 던지는 것이다. 시간이란 단순히 과거에서 미래로 흐르는 단일한 개념이 아닐 수 있다는 것을 시사한다.

이번 연구 결과는 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientic Reports)'에 게재됐다. 

기억 커널, 시간 대칭의 열쇠

연구팀은 또 '기억 커널' 이라는 현상이 방정식의 시간 대칭을 유지한다는 사실을 발견했다. 이 커널은 양자 시스템의 진화 방식의 기본이며, 시간이 양방향으로 흐를 가능성을 설명할 수 있다. 즉, 과거의 정보가 현재의 시스템에 양향을 미치는 방식으로 시간이 흐를 수 있다는 것이다. 연구진은 '메모리 커널(memory kernel)' 이라 불리는 방정식의 핵심 부분이 시간에 대해 대칭적이라는 것을 발견했다. 또한 시간 불연속 요소가 발견되어 시간 대칭성을 유지하는 것으로 나타났다.

로코 박사는 "우리의 연구 결과는, 우리의 일반적인 경험은 시간이 한 방향으로만 움직인다고 말하지만, 우리는 반대 방향이 똑같이 가능했을 것이라는 점을 알지 못했던 것을 시사한다"며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 이는 우리가 시간의 흐름을 단선적으로만 인식하는 것이 사실은 착각일 수 있음을 시사한다. 시간은 어쩌면 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡하고 다중적인 개념일지도 모른다.

시간의 비밀, 우주론의 난제를 풀 열쇠

이번 연구는 기간과 물리학 전반에 대한 우리의 이해에 심오한 의미를 갖는다. 시간이 불가역적인 화살로 인식되는 것은 고유한 물리 법칙 때문이 아니라 환경과의 상호 작용 방식과 관련이 있을 수 있음을 시사한다. 즉, 우리가 시간을 인지하는 방식은 우리가 속한 환경에 의해 규정될 수 있다는 것이다.

이러한 발견은 우주론의 오랜 질문, 예를 들어 우주의 시작이나 블랙홀의 맥락에서 시간의 본질과 같은 질문에 새로운 시각을 제공할 수 있다. 또한 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합하려는 물리학 분야인 양자 중력 이론에도 영향을 미칠 수 있다. 이 연구는 거시적 세계에서 우리가 경험하는 단방향적 시간의 흐름이 양자 세계에서는 양방향으로 가능할 수 있음을 시사하며, 양자역학, 우주론, 그리고 물리학의 근본 법칙에 대한 이해에 중요한 영향을 미칠 수 있다.

안드레아 로코 박사는 "우리의 일상적인 경험은 시간이 한 방향으로만 흐른다고 말하지만, 사실 반대 방향도 똑같이 가능했다는 것을 우리가 모르고 있었을 뿐"이라고 설명했다. 이 연구는 시간의 화살표가 우리가 생각했던 것만큼 고정적이지 않을 수 있다는 가능성을 제시하며, 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나에 대한 새로운 시각을 제공한다.

시간은 단순한 흐름이 아니라 훨씬 더 복잡하고 다차원적인 현상일 수 있다. 이번 연구는 시간의 비밀을 풀고 우주의 미스터리를 밝히는 데 중요한 발걸음이 될 것이다.