컵에 떨어뜨린 잉크는 물속으로 퍼진다. 그러나 이미 퍼진 잉크가 저절로 다시 한 방울로 모이는 모습은 볼 수 없다. 바닥에 떨어져 깨진 유리잔 역시 자연스럽게 원래 모습으로 돌아가지 않는다.

우리는 이런 현상을 보며 시간이 과거에서 미래로 흐른다고 느낀다. 그렇다면 시간의 방향은 엔트로피가 증가하기 때문에 생기는 것일까? 모든 물리 법칙이 미래를 향해 움직이도록 만들어져 있다면, 영화에서처럼 과거나 미래로 이동하는 시간 여행은 애초에 불가능한 것 아닐까?

결론부터 말하면 엔트로피 증가는 우리가 경험하는 시간의 방향과 밀접한 관련이 있지만, 시간이라는 좌표 자체가 한쪽 방향으로만 존재한다는 뜻은 아니다. 또한 미래로 가는 시간 여행은 상대성이론 안에서 이미 물리적으로 허용되지만, 과거로 가는 시간 여행은 수학적 해가 존재하는 것과 실제 자연에서 구현할 수 있는지가 전혀 다른 문제다.

이 차이를 이해하려면 먼저 ‘시간의 방향’이라는 표현에 서로 다른 의미가 섞여 있다는 사실부터 정리해야 한다.

엔트로피가 증가한다는 말은 무엇일까?

엔트로피는 단순히 ‘무질서’가 아니다

엔트로피는 흔히 무질서의 정도라고 설명된다. 입문 단계에서는 유용한 비유지만, 정확한 정의는 조금 다르다.

통계역학에서 볼츠만 엔트로피는 다음과 같이 쓴다.

[
S=k_{\mathrm B}\ln\Omega
]

여기서 각 기호는 다음을 뜻한다.

(S): 엔트로피
(k_{\mathrm B}): 볼츠만 상수
(\Omega): 하나의 거시적 상태를 만들 수 있는 미시상태의 수

거시상태는 우리가 눈으로 확인하는 전체 모습이다. 예를 들어 방 안의 공기가 고르게 퍼져 있다는 상태가 거시상태다.

미시상태는 공기를 구성하는 수많은 분자의 정확한 위치와 속도를 뜻한다. 공기가 방 전체에 고르게 퍼져 있는 거시상태를 만드는 분자 배열은 상상할 수 없을 만큼 많다. 반면 모든 공기 분자가 방 한쪽 구석에만 몰려 있는 상태를 만드는 배열은 매우 적다.

따라서 자연계는 특별한 힘이 작용하지 않으면 미시상태가 적은 상태보다 미시상태가 많은 상태에서 발견될 가능성이 훨씬 높다. 이것이 엔트로피 증가를 확률적으로 이해하는 핵심이다.

엔트로피가 증가하는 방향을 시간의 미래 방향과 연결하는 관점을 열역학적 시간의 화살이라고 부른다. 실제 세계에서는 고립된 계가 평형 상태를 향해 자발적으로 변하지만, 평형 상태에서 저절로 멀어지는 현상은 거의 관찰되지 않는다.

열역학 제2법칙은 절대적인 금지 명령일까?

고립계에서 열역학 제2법칙은 보통 다음과 같이 표현된다.

[
\Delta S \geq 0
]

또는 시간에 따른 변화로 나타내면,

[
\frac{dS}{dt}\geq0
]

이 식은 엔트로피가 감소해서는 안 된다고 읽기 쉽다. 하지만 통계역학적으로 보면 조금 더 섬세한 해석이 필요하다.

분자가 몇 개밖에 없는 아주 작은 계에서는 순간적인 엔트로피 감소가 나타날 수 있다. 다만 커피잔, 사람, 행성처럼 입자가 매우 많은 계에서는 큰 폭의 엔트로피 감소가 일어날 확률이 사실상 0에 가까워진다.

예를 들어 방 안의 공기 분자 수를 단순하게 (N)개라고 하자. 각 분자가 방의 왼쪽 절반에 있을 확률을 (1/2)로 보면, 모든 분자가 동시에 왼쪽에 모일 확률은 대략 다음과 같다.

[
P=\left(\frac12\right)^N
]

공기 1몰에는 약 (6.02\times10^{23})개의 분자가 있다. 이 숫자를 (N)에 넣으면 확률은 수학적으로 0은 아니지만, 우주의 나이를 기다려도 기대하기 어려울 정도로 작아진다.

즉 열역학 제2법칙은 “절대로 일어날 수 없다”는 단순한 명령이라기보다, 거시적인 세계에서는 반대 현상을 사실상 볼 수 없을 만큼 강력한 확률 법칙에 가깝다.

그렇다면 엔트로피 증가는 시간의 방향을 증명할까?

시간의 화살과 시간 좌표는 같은 개념이 아니다

여기서 중요한 구분이 등장한다.

엔트로피 증가는 과거와 미래를 구별할 수 있는 물리적 기준을 제공한다. 하지만 이것만으로 시간이 어떤 보이지 않는 힘에 의해 앞으로 밀려간다는 의미가 되지는 않는다.

물리학에서 시간은 대개 사건을 표시하는 좌표로 사용된다. 고전역학에서는 물체의 위치를 다음과 같이 나타낸다.

[
x=x(t)
]

시간 (t)가 바뀌면서 위치 (x)가 어떻게 달라지는지를 기록하는 것이다.

흥미로운 점은 고전역학과 양자역학의 기본 운동방정식 상당수가 시간을 거꾸로 바꾸어도 성립한다는 사실이다.

뉴턴의 운동방정식을 생각해 보자.

[
m\frac{d^2x}{dt^2}=F(x)
]

여기서 (t)를 (-t)로 바꾸어도 두 번째 미분은 그대로 유지된다.

[
\frac{d^2x}{d(-t)^2}=\frac{d^2x}{dt^2}
]

따라서 움직이는 당구공의 모든 속도를 정확히 반대로 돌릴 수 있다면, 공들은 원래 경로를 거슬러 올라갈 수 있다. 미시적인 운동 법칙만 보면 미래 방향과 과거 방향이 완전히 다르게 취급되지 않는 경우가 많다.

그런데 현실에서는 깨진 유리잔이 되돌아오지 않는다. 그 이유는 물리 법칙이 역방향을 금지해서라기보다, 유리 조각과 공기 분자, 바닥의 진동, 열에너지까지 모든 상태를 완벽하게 반대로 맞춰야 하기 때문이다.

로슈미트 역설이 보여주는 문제

이 문제를 로슈미트 역설이라고 한다.

입자들의 운동 법칙이 시간 반전 대칭이라면, 왜 엔트로피는 한 방향으로만 증가하는가?

한 가지 중요한 답은 초기 조건에 있다. 우리가 사는 우주는 과거에 매우 낮은 엔트로피 상태였고, 그 상태에서 더 가능성이 높은 거시상태를 향해 진화하고 있다는 설명이다. 시간 대칭적인 운동 법칙만으로는 방향이 정해지지 않지만, 특수한 저엔트로피 초기 조건을 추가하면 한쪽 방향으로 엔트로피가 증가하는 현상을 설명할 수 있다.

다만 우주 초기의 엔트로피가 왜 그렇게 낮았는지는 여전히 시간의 화살을 둘러싼 근본적인 문제로 남아 있다. 중력계에서는 물질이 균일하게 퍼져 있는 초기 우주가 낮은 중력 엔트로피 상태였다는 해석이 자주 논의되지만, 중력을 포함한 완전한 엔트로피 정의는 단순한 기체 문제보다 훨씬 복잡하다.

엔트로피가 증가해도 미래 시간 여행은 가능한 이유

상대성이론에서 모든 사람의 시간은 같지 않다

뉴턴 역학에서는 누구에게나 동일한 절대 시간이 흐른다고 가정한다. 그러나 특수상대성이론에서는 관찰자의 운동 상태에 따라 측정되는 시간이 달라진다.

빛의 속도를 (c), 우주선의 속도를 (v)라고 할 때 시간 지연은 다음과 같이 표현할 수 있다.

[
\Delta t=\gamma\Delta\tau
]

[
\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
]

여기서 (\Delta\tau)는 우주선 안에서 측정한 고유시간이고, (\Delta t)는 지구에서 측정한 시간이다.

예를 들어 우주선이 빛의 속도의 99.5%로 이동한다고 해 보자.

[
v=0.995c
]

그러면 로런츠 인자는 대략 다음과 같다.

[
\gamma=
\frac{1}{\sqrt{1-0.995^2}}
\approx10.01
]

우주선 안에서 1년이 흐르는 동안 지구에서는 약 10년이 흐른다.

[
\Delta t\approx10\Delta\tau
]

우주인이 지구로 돌아오면 자신은 1년 정도 늙었지만 지구 사람들은 약 10년 늙어 있다. 우주인은 자신의 시간을 거꾸로 돌린 것이 아니다. 몸속의 엔트로피도 정상적으로 증가했고, 기억도 과거에서 미래 방향으로 만들어졌다.

다만 서로 다른 경로를 따라 움직인 두 관찰자가 경험한 시간의 양이 달라졌을 뿐이다. 이것은 미래로 향하는 일종의 시간 여행으로 볼 수 있다.

상대론적 시간 지연은 가상의 아이디어에 머물지 않는다. 빠르게 움직이는 입자의 수명 변화와 정밀 시계 실험 등에서 확인되며, 상대론적 쌍둥이 상황에서도 이동 경로에 따라 고유시간이 달라진다.

고유시간으로 보면 더 분명해진다

상대성이론에서 관찰자가 실제로 경험하는 시간은 고유시간 (\tau)다.

평평한 시공간에서는 고유시간을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[
c^2d\tau^2=c^2dt^2-dx^2-dy^2-dz^2
]

한 방향 운동만 생각하면,

[
d\tau=dt\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}
]

속도 (v)가 빛의 속도에 가까워질수록 제곱근 부분은 작아진다. 따라서 외부에서 긴 시간이 흐르는 동안 빠르게 이동하는 관찰자에게는 짧은 시간이 흐른다.

중요한 사실은 다음과 같다.

[
d\tau>0
]

우주인의 고유시간은 계속 앞으로 흐른다. 엔트로피 역시 우주인이 경험하는 고유시간을 따라 증가한다.

미래 시간 여행은 엔트로피를 감소시키는 기술이 아니다. 서로 다른 시공간 경로의 길이, 즉 고유시간을 다르게 만드는 방법이다.

중력을 이용한 미래 시간 여행

중력이 강할수록 시간은 느리게 흐른다

일반상대성이론에서는 중력도 시간의 흐름에 영향을 준다.

회전하지 않는 구형 천체 바깥의 시공간을 나타내는 슈바르츠실트 계량은 다음과 같다.

[
ds^2=
-\left(1-\frac{2GM}{rc^2}\right)c^2dt^2
+\left(1-\frac{2GM}{rc^2}\right)^{-1}dr^2
+r^2d\Omega^2
]

천체에서 일정한 거리 (r)를 유지하는 관찰자만 생각하면,

[
d\tau=
dt\sqrt{1-\frac{2GM}{rc^2}}
]

질량 (M)이 크고 중심에서의 거리 (r)가 작을수록 제곱근 값이 작아진다. 즉 강한 중력장에 있는 시계가 멀리 떨어진 시계보다 느리게 간다.

한 사람이 강한 중력장 근처에서 짧은 시간을 보내고 돌아오면, 멀리 떨어진 곳에서는 더 긴 시간이 흐를 수 있다. 이 역시 미래 시간 여행에 해당한다.

다만 블랙홀 가까이 접근하는 현실적인 여행은 극단적인 중력, 방사선, 조석력, 귀환 문제 때문에 매우 어렵다. 수학적으로 시간 지연이 존재한다는 사실과 인간이 안전하게 이용할 수 있다는 말은 구별해야 한다.

과거 시간 여행은 수학적으로 어떻게 표현할까?

닫힌 시간꼴 곡선의 의미

과거 시간 여행은 미래 시간 여행보다 훨씬 까다롭다.

일반상대성이론에서 물질은 시공간 속의 경로를 따라 움직인다. 빛보다 느리게 움직이는 물체의 경로를 시간꼴 곡선이라고 한다.

보통 관찰자의 세계선은 과거에서 미래로 이어지며 다시 같은 사건으로 돌아오지 않는다. 그러나 특정한 시공간에서는 다음 조건을 만족하는 곡선을 생각할 수 있다.

[
x^\mu(\tau_0)=x^\mu(\tau_1)
]

단,

[
\tau_1>\tau_0
]

관찰자의 고유시간은 앞으로 흘렀는데, 시공간 좌표상으로는 출발했던 사건과 같은 지점으로 돌아온 것이다. 이를 닫힌 시간꼴 곡선, 영어로는 CTC라고 한다.

곡선 전체에서 다음 조건도 만족해야 한다.

[
g_{\mu\nu}
\frac{dx^\mu}{d\tau}
\frac{dx^\nu}{d\tau}<0
]

부호 규약에 따라 표현은 달라질 수 있지만, 핵심은 세계선이 계속 시간꼴이어야 한다는 점이다. 즉 여행자는 자신의 주변에서 빛보다 빠르게 움직이지 않아도 된다.

일반상대성이론의 일부 해는 이러한 닫힌 시간꼴 곡선을 허용한다. 이론적으로는 관찰자가 자신의 고유시간을 계속 미래 방향으로 경험하면서도, 외부 시공간의 과거 사건에 도달하는 경로가 생길 수 있다.

엔트로피는 시간 여행자의 몸에서 어떻게 변할까?

과거로 가는 사람이 있다고 가정해 보자. 많은 사람이 여행자의 엔트로피도 거꾸로 흐를 것이라고 생각한다. 그러나 반드시 그런 것은 아니다.

여행자의 고유시간을 (\tau)라고 하면, 몸과 우주선 내부의 엔트로피는 보통 다음과 같이 변한다고 예상할 수 있다.

[
\frac{dS_{\mathrm{traveler}}}{d\tau}\geq0
]

여행자는 계속 늙고, 기억을 만들고, 연료를 소비하며 열을 방출한다. 그의 개인적인 시간의 화살은 뒤집히지 않는다.

외부 좌표시간 (t)만 특정 구간에서 감소하는 형태가 될 수 있다.

[
\frac{dt}{d\tau}<0
]

즉 여행자의 고유시간은 증가하지만 외부에서 정한 시간 좌표는 과거 방향으로 이동하는 구간이 있을 수 있다.

이것이 엔트로피 증가와 과거 시간 여행이 논리적으로 곧바로 모순되지 않는 이유다. 엔트로피는 여행자의 국소적인 고유시간을 따라 증가하고, 세계선은 휘어진 시공간을 돌아 과거 좌표에 도달할 수 있다.

다만 닫힌 시간꼴 곡선 위에서 비가역적 과정과 열역학 제2법칙을 어떻게 일관되게 정의할지는 간단하지 않다. CTC와 엔트로피의 관계는 고전물리와 양자모형에서 서로 다른 결과를 낼 수 있으며, 일부 양자 CTC 모형에서는 비표준적인 엔트로피 감소가 논의되기도 한다. 이는 실제 시간 여행 장치가 가능하다는 증거가 아니라, 해당 가정 아래에서 기존 열역학을 어떻게 수정해야 하는지를 보여주는 이론적 연구다.

웜홀을 이용한 시간 여행의 수학적 원리

두 입구 사이에 시간 차이를 만드는 방법

웜홀은 멀리 떨어진 두 시공간 영역을 짧은 통로로 연결하는 가설적 구조다.

웜홀의 두 입구를 A와 B라고 하자. 처음에는 두 입구의 시계가 같다고 가정한다.

이후 B를 빠른 속도로 이동시켰다가 다시 A 근처로 가져오면, 특수상대성이론의 시간 지연 때문에 B가 경험한 시간이 더 짧아진다.

A에서 흐른 시간을 (T_A), B에서 흐른 시간을 (T_B)라고 하면,

[
T_B=
T_A\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}
]

따라서 두 입구의 시간 차이는

[
\Delta T=
T_A-T_B
]

가 된다.

예를 들어 A에서 10년이 흐르고 B가 (0.995c)에 가까운 속도로 움직였다면, 단순화한 계산에서 B에는 약 1년만 흐를 수 있다.

[
\Delta T\approx9\text{년}
]

웜홀 내부의 연결이 유지된다는 가정을 추가하면, 한쪽 입구로 들어가 다른 입구로 나올 때 외부 세계의 시간 기준으로 과거나 미래에 도착하는 구성이 가능해진다.

웜홀의 두 입구가 상대적으로 움직이면 시간 차이가 생겨 과거나 미래로 이어지는 통로가 될 가능성은 일반상대성이론에서 이론적으로 논의된다. 하지만 이는 안정적인 통과 가능 웜홀과 필요한 물질 조건이 실제로 존재한다는 뜻은 아니다.

웜홀 시간 여행의 장점과 한계

수학적 장점은 여행자가 국소적으로 빛보다 빠르게 이동할 필요가 없다는 점이다. 웜홀 자체가 시공간의 지름길 역할을 하기 때문이다.

그러나 현실적인 문제는 훨씬 크다.

첫째, 통과할 수 있는 웜홀의 존재가 관측된 적이 없다.

둘째, 웜홀을 열린 상태로 유지하려면 일반적인 물질과 다른 에너지 조건이 필요할 가능성이 있다.

셋째, 양자장 효과가 웜홀이 시간 기계로 변하는 순간 구조를 불안정하게 만들 수 있다는 견해가 있다.

넷째, 일반상대성이론은 시공간을 설명하지만 양자중력까지 포함한 완성된 이론은 아니다. 고전적인 수학 해가 양자 수준에서도 유지된다는 보장은 없다.

따라서 웜홀 시간 여행은 “수학적으로 연구할 수 있는 가능성”이지, 현재 설계 가능한 공학 기술이 아니다.

할아버지 역설은 시간 여행을 금지할까?

자기일관성 원리

과거로 간 사람이 자신의 출생 원인을 제거하면 어떻게 될까? 이것이 유명한 할아버지 역설이다.

한 가지 해결 방식은 자기일관성 원리다. 닫힌 시간꼴 곡선이 존재하더라도 실제로 발생하는 사건은 전체 역사와 모순되지 않아야 한다는 생각이다.

이를 추상적으로 나타내면 시간 여행을 거친 상태 (X)가 변환 (F)를 거친 뒤 자신과 같아야 한다.

[
X=F(X)
]

이 식은 고정점 조건이다.

예를 들어 과거로 간 사람이 어떤 사건을 막으려 하지만, 그 행동이 오히려 자신이 기억하던 사건의 원인이 되는 방식으로 역사가 구성될 수 있다. 선택은 존재하지만 논리적으로 모순되는 결과는 실현되지 않는다는 설명이다.

닫힌 시간꼴 곡선을 포함하는 시간 여행 모형에서는 역설을 피하기 위해 이러한 일관성 조건이 중요하게 다뤄진다. 논리적 역설이 있다는 이유만으로 일반상대론적 시간 여행 시나리오가 곧바로 수학적으로 배제되는 것은 아니라는 견해도 널리 논의된다.

양자역학의 고정점 조건

양자 시간 여행 모형에서는 CTC를 통과하는 상태를 밀도행렬 (\rho)로 나타낼 수 있다.

일관성 조건은 다음과 비슷한 형태로 표현된다.

[
\rho_{\mathrm{CTC}}

\operatorname{Tr}{S}
\left[
U
\left(
\rho_S\otimes\rho{\mathrm{CTC}}
\right)
U^\dagger
\right]
]

여기서

(\rho_S): 일반적인 계의 상태
(\rho_{\mathrm{CTC}}): 시간 고리를 도는 계의 상태
(U): 두 계의 상호작용
(\operatorname{Tr}_S): 일반 계의 정보를 부분적으로 합산하는 연산

시간 고리를 한 바퀴 돌고 난 상태가 출발할 때의 상태와 같아야 한다는 뜻이다.

이 방식은 논리적 모순을 피할 수 있지만, 일반적인 양자역학과 다른 비선형적 효과나 정보 문제를 만들 수 있다. 따라서 실제 자연이 이러한 모형을 따른다고 확인된 것은 아니다.

엔트로피를 감소시키면 과거로 갈 수 있을까?

냉장고는 시간을 되돌리지 않는다

냉장고 안에서는 음식의 열이 빠져나가고 특정 부분의 엔트로피가 감소할 수 있다. 생명체도 몸 안에 질서를 만들며 살아간다.

그러나 냉장고는 외부로 더 많은 열을 방출한다. 생명체 역시 음식과 에너지를 소비하고 주변에 열과 노폐물을 내보낸다.

전체 엔트로피 변화는 다음과 같이 볼 수 있다.

[
\Delta S_{\mathrm{total}}

\Delta S_{\mathrm{system}}
+
\Delta S_{\mathrm{environment}}
\geq0
]

특정 부분의 엔트로피를 낮추는 것은 가능하지만, 주변을 포함한 전체 엔트로피는 증가한다.

설령 어떤 계의 엔트로피를 낮춘다고 해도 그 계가 과거로 이동하는 것은 아니다. 흐트러진 방을 정리한다고 해서 어제의 방으로 돌아가는 것이 아닌 것과 같다.

엔트로피는 상태의 통계적 성질이다. 시간 좌표를 이동시키는 장치가 아니다.

영상을 거꾸로 돌리는 것과 과거 여행은 다르다

깨지는 유리잔 영상을 거꾸로 재생하면 엔트로피가 감소하는 것처럼 보인다. 하지만 이것은 화면 속 상태의 순서를 반대로 보여주는 일이다.

실제 과거 여행은 시공간상의 사건 사이의 연결 구조가 달라져야 한다. 수학적으로는 세계선과 시공간 계량 (g_{\mu\nu})의 문제다.

반면 엔트로피 감소는 가능한 미시상태의 수와 확률분포의 문제다.

두 현상은 관련은 있지만 동일하지 않다.

엔트로피와 시간 여행을 구분하는 핵심 표

구분엔트로피 증가미래 시간 여행과거 시간 여행

핵심 이론	통계역학, 열역학	특수·일반상대성이론	일반상대성이론, 양자중력 가설
대표 수식	(S=k_B\ln\Omega)	(d\tau=dt\sqrt{1-v^2/c^2})	(x^\mu(\tau_0)=x^\mu(\tau_1))
시간의 의미	과거와 미래를 구별하는 화살	서로 다른 경로의 고유시간 차이	세계선이 과거 사건으로 연결되는 구조
엔트로피 변화	고립계 전체에서 대체로 증가	여행자에게 정상적으로 증가	여행자의 고유시간을 따라 증가 가능
실험적 근거	매우 강함	시간 지연이 실험적으로 확인됨	직접적인 증거 없음
현실성	일상에서 항상 관찰	원리적으로 가능	수학적 가능성과 물리적 실현이 미확정

실제로 이해할 때 자주 하는 오해

“시간의 화살이 있으니 시간이 물질처럼 흐른다”

시간의 화살은 사건을 과거와 미래로 구별하는 비대칭성을 뜻한다. 시간이 액체처럼 실제로 흘러간다는 사실을 직접 증명하는 개념은 아니다.

“엔트로피가 줄어들면 시간이 거꾸로 간다”

국소적인 엔트로피 감소는 냉장고나 생명체에서도 나타난다. 그러나 해당 물체가 과거로 이동하지는 않는다.

“상대성이론으로 과거 여행도 이미 증명됐다”

시간 지연은 실험적으로 검증됐지만, 닫힌 시간꼴 곡선이나 통과 가능한 시간 이동용 웜홀은 관측되지 않았다.

“일반상대성이론에 해가 있으면 자연에도 존재한다”

수학적으로 방정식을 만족하는 해와 실제 우주에서 만들어질 수 있는 상태는 다르다. 에너지 조건, 안정성, 초기 조건, 양자효과를 모두 검토해야 한다.

“시간 여행자는 젊어지면서 과거로 간다”

상대론적 여행자는 자신의 고유시간을 따라 계속 늙는다. 과거로 향하는 CTC를 가정하더라도 여행자의 생물학적 시간은 정상적으로 앞으로 흐를 가능성이 크다.

엔트로피 증가는 우리에게 과거와 미래를 구별하는 기준을 제공한다. 잉크가 퍼지고, 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하며, 기억이 과거에 대해서만 남는 현상은 열역학적 시간의 화살과 관련된다.

하지만 엔트로피 증가는 시간 좌표가 반드시 직선으로만 이어져야 한다는 뜻은 아니다.

미래 시간 여행은 빠른 속도나 강한 중력 때문에 관찰자마다 고유시간이 다르게 흐르는 현상으로 설명할 수 있다. 이때 여행자의 엔트로피는 정상적으로 증가한다.

과거 시간 여행은 닫힌 시간꼴 곡선이나 시간 차이가 생긴 웜홀처럼 특수한 시공간 구조를 필요로 한다. 일반상대성이론의 일부 해에서는 수학적으로 표현할 수 있지만, 실제 자연에서 생성하고 유지할 수 있는지는 밝혀지지 않았다.

따라서 가장 정확한 결론은 다음과 같다.

엔트로피 증가는 시간에 관찰 가능한 방향성이 있음을 보여주지만, 시간 여행을 직접 금지하거나 허용하는 단독 조건은 아니다. 시간 여행의 가능성은 엔트로피보다 시공간의 기하학과 인과구조에 의해 결정된다.

FAQ

1. 엔트로피가 증가하면 시간이 실제로 앞으로 흐르는 것인가요?

엔트로피 증가는 과거와 미래를 구별하는 물리적 기준을 제공한다. 하지만 시간 자체가 엔트로피에 의해 밀려간다고 단정할 수는 없다. 기본 운동법칙의 상당수는 시간 반전 대칭을 가지며, 방향성은 저엔트로피 초기 조건과 통계적 과정에서 나타난다.

2. 엔트로피를 강제로 낮추면 과거로 갈 수 있나요?

갈 수 없다. 냉장고 안이나 생명체 내부처럼 일부 영역의 엔트로피는 낮아질 수 있지만, 이것은 상태를 정돈하는 과정일 뿐 시공간 좌표를 과거로 이동시키는 과정이 아니다.

3. 미래로 가는 시간 여행은 정말 가능한가요?

상대성이론의 의미에서는 가능하다. 빛에 가까운 속도로 이동하거나 강한 중력장에 머물면 외부보다 적은 시간이 흐른다. 돌아왔을 때 외부 세계가 더 먼 미래에 도달해 있을 수 있다. 다만 큰 시간 차이를 만들 수 있는 속도와 에너지는 현재 기술로 달성하기 어렵다.

4. 빛보다 빠르게 달리면 과거로 갈 수 있나요?

특수상대성이론에서 질량이 있는 물체를 빛의 속도까지 가속하려면 에너지가 무한히 커지는 문제가 생긴다. 또한 단순히 빛보다 빠르게 이동한다는 가정은 관찰자에 따라 사건의 순서가 뒤바뀌는 인과율 문제를 만든다. 현재 확인된 물질이 이런 이동을 할 수 있다는 증거는 없다.

5. 블랙홀에 들어가면 미래로 갈 수 있나요?

블랙홀 근처의 강한 중력은 외부와 큰 시간 차이를 만들 수 있다. 그러나 사건의 지평선 안으로 들어간 뒤 다시 밖으로 나오는 것은 고전적인 일반상대성이론에서는 불가능하다. 미래로 돌아오기 위한 장치로 사용하기에는 현실적인 문제가 매우 크다.

6. 웜홀은 실제로 발견됐나요?

현재까지 통과 가능한 웜홀이 관측됐다는 확실한 증거는 없다. 웜홀은 일반상대성이론에서 연구되는 가설적 시공간 구조이며, 안정적으로 유지하려면 특수한 에너지 조건이 필요할 가능성이 있다.

7. 과거로 가면 기억도 거꾸로 사라지나요?

일반적인 시간 여행 모형에서는 그렇지 않다. 여행자는 자신의 고유시간을 따라 움직이므로 계속 기억을 만들고 늙는다. 외부 시간 좌표상 과거에 도착하더라도 개인의 열역학적 시간 방향은 유지될 수 있다.

8. 닫힌 시간꼴 곡선이 존재하면 할아버지 역설이 반드시 발생하나요?

반드시 그런 것은 아니다. 자기일관성 원리를 적용하면 모순되는 사건은 애초에 일어나지 않고, 시간 여행자의 행동도 이미 존재하는 역사와 일치하도록 제한될 수 있다. 다만 이 원리가 실제 자연의 법칙인지는 확인되지 않았다.

9. 우주의 엔트로피가 최대가 되면 시간도 멈추나요?

열적 평형에 가까워지면 이용 가능한 에너지 차이가 줄어들어 복잡한 변화가 거의 일어나지 않을 수 있다. 그러나 엔트로피가 최대라는 사실만으로 시공간의 시간 좌표가 사라지거나 수학적으로 멈춘다고 단정할 수는 없다.

10. 현재 물리학은 과거 시간 여행을 가능하다고 보나요?

“완전히 금지됐다고 증명되지는 않았지만 가능하다고 확인되지도 않았다”가 가장 정확하다. 일반상대성이론에는 CTC를 포함하는 해가 존재하지만, 현실적인 에너지 조건과 양자효과, 시공간의 안정성 문제가 해결되지 않았다.

외부 참고 자료 추천

Stanford Encyclopedia of Philosophy, 「Thermodynamic Asymmetry in Time」
Stanford Encyclopedia of Philosophy, 「Time Travel and Modern Physics」
Stanford Encyclopedia of Philosophy, 「Time Machines」
Einstein Online, 「The Case of the Travelling Twins」
Einstein Online, 「Wormhole」
American Physical Society, 시간의 화살 및 비가역성 관련 해설
Francisco S. N. Lobo, 「Closed Timelike Curves and Causality Violation」
Jean-Pierre Luminet, 「Closed Timelike Curves, Singularities and Causality」

저작자표시 비영리 변경금지 (새창열림)

엔트로피가 증가한다는 말은 시간에 방향이 있다는 뜻일까?