왜 시간은 되돌릴 수 없는가 – 엔트로피와 시간의 방향

물리학은 되돌릴 수 있는 법칙이지만, 우리의 삶은 되돌릴 수 없다. 그 이유는 무엇일까?

왜 시간은 되돌릴 수 없는가 – 엔트로피와 시간의 방향

목차

1. 물리 법칙은 시간 대칭적이다
2. 엔트로피 증가와 시간의 화살
3. 열역학 제2법칙의 본질
4. 우주의 초기 상태와 비가역성
5. 시간의 철학과 인간의 인식

1. 물리 법칙은 시간 대칭적이다

뉴턴 역학, 전자기학, 양자역학, 일반상대성이론 등 대부분의 물리 법칙은 ‘시간 대칭성’을 가진다. 이는 어떤 물리적 과정을 시간 순서대로 보든, 시간을 거꾸로 돌려도 물리 방정식 자체는 변하지 않는다는 의미다. 수학적으로는 미분 방정식이 시간 변수에 대해 대칭이기 때문이다. 그런데 우리의 경험은 다르다. 유리컵은 깨지지만 스스로 원래대로 돌아오지 않으며, 죽은 생명체는 되살아나지 않는다. 자연현상은 명백한 방향성을 가지며, 이를 우리는 ‘시간의 화살’이라고 부른다.

2. 엔트로피 증가와 시간의 화살

열역학 제2법칙은 닫힌 계에서 엔트로피가 감소하지 않고 증가하거나 일정하게 유지된다고 말한다. 엔트로피는 무질서도 또는 가능 상태의 수로 해석되며, 시간이 흐를수록 계는 더 무질서한 상태로 나아간다. 이는 확률의 문제로 이해할 수 있다. 질서 있는 상태는 가능한 조합이 적고, 무질서한 상태는 조합이 많다. 시간이 흐를수록 더 가능한 상태로 가는 것이 자연스럽기 때문에, 우리는 시간의 한 방향성을 인식하게 된다.

3. 열역학 제2법칙의 본질

열역학 제2법칙은 물리 법칙이라기보다, 통계적 법칙이다. 하나의 입자가 운동하는 방식은 시간 역전과 무관하지만, 수많은 입자가 모인 계는 우연히 질서로 복귀할 확률이 거의 0에 가깝다. 예를 들어, 공기 분자들이 한쪽 벽에만 모이는 일은 불가능하진 않지만, 현실에서는 일어나지 않는다. 이는 전체적으로 우주가 거대한 통계 시스템이며, 엔트로피가 우리가 인식하는 시간의 흐름을 만들어낸다는 것을 시사한다.

4. 우주의 초기 상태와 비가역성

흥미로운 점은, 우주의 초창기는 매우 질서 정연한 상태였다는 것이다. 우주가 확장되면서 엔트로피는 점점 증가해 왔고, 이는 시간의 방향을 만들어낸 핵심 이유로 추정된다. 즉, 시간의 화살은 우주의 초기 조건에서 비롯되며, 본질적으로는 물리 법칙에서가 아니라 우주가 시작된 상태에서부터 설정된 것이다. 이는 현재까지도 해결되지 않은 가장 심오한 물리학적·철학적 질문 중 하나다.

5. 시간의 철학과 인간의 인식

인간은 과거를 기억하고, 미래를 예측하며 살아간다. 그러나 물리학적으로 보면, 기억은 단지 엔트로피의 흐름 속에서 형성된 정보의 저장일 뿐이다. 우리는 무질서로 향하는 흐름 속에서 기억의 잔상을 통해 시간의 방향을 느끼는 것이다. 시간은 실제로 흐르는 것이 아니라, 상태의 변화가 우리로 하여금 그렇게 느끼게 한다는 해석도 있다. 시간의 비가역성은 물리학과 철학, 심리학이 모두 만나는 지점이며, 여전히 인류가 완전히 이해하지 못한 미스터리다. 그리고 그 질문은 여전히 유효하다. 시간은 흐르는 것인가, 아니면 우리가 흐르고 있는 것일까?