서론
우리가 사는 세계를 구성하는 것은 무엇일까? 물질인가, 에너지인가, 아니면 그 둘을 품은 ‘공간과 시간’인가.
이 질문은 고대 그리스의 철학자들로부터 시작해 현대 물리학에 이르기까지 끊임없이 이어져 온 사유의 출발점이다. 그리고 이 질문을 현대의 양자 물리학으로 다시 던진 사람이 있다. 이탈리아의 이론물리학자 카를로 로벨리(Carlo Rovelli)이다.
로벨리는 루프 양자중력이론1)을 통해, 공간과 시간이 더 이상 연속적이고 고정된 무대가 아니라 끊임없이 생성되고 사라지는 양자적 관계망이라고 말한다. 그에게 시공간은 만물의 배경이 아니라, 사물들 간의 상호작용 속에서 순간순간 구성되는 관계적 질서다. 세계의 질서, 즉 물질과 에너지가 이러한 양자적 관계망으로 이루어졌다는 점이 바로 로벨리 물리학의 핵심 철학이다.
그러나 이 질서는 절대적이지 않다. 특수한 조건, 예컨대 빅뱅의 초기 우주나 블랙홀의 중심부, 이른바 특이점(singularity)에 이르면, 그 질서는 붕괴하고 시간은 ‘흐름’을 멈춘다.
로벨리는 바로 그 정지의 순간에 새로운 우주의 탄생 가능성, 곧 ‘빅 바운스(Big Bounce)’를 본다. 이는 기존의 ‘빅뱅’이 우주의 시작이라면, ‘빅 바운스’는 한 우주의 수축이 다른 우주의 팽창으로 이어지는 순환적 우주론이다.
그의 최신 저서 ⟪화이트홀⟫(김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2024)은 이러한 사유를 토대로 “멈춘 시간 이후의 세계”, 즉, 블랙홀 내부에서 다시 ‘시간이 흐르기 시작하는 순간’을 탐구한다. 그곳에서 로벨리는 시간의 끝을 넘어 또 다른 우주의 입구, 화이트홀(White Hole)이 열리는 가능성을 과학적 상상력으로 제시한다. 이 책은 그가 평생 탐구해온 시간 개념의 정점이자 한계, 그리고 물리학이 도달할 수 있는 사유의 극점이라 할 수 있다.
로벨리의 사상은 단번에 현대 이론물리학으로 진입하지 않는다. 그는 고대 자연철학에서 출발한다. 데모크리토스의 원자론, 아리스토텔레스의 장소 개념, 뉴턴의 절대공간, 아인슈타인의 상대성이론은 “공간이란 무엇인가”라는 물음의 변주다.
로벨리는 이 긴 사유의 계보를 따라가며, 공간과 시간의 분리에서 시공간으로, 그리고 시간의 멈춤과 다시 ‘시작’으로 나아간다. 그의 책은 모두 이 궤적 위에 놓여 있다. 즉, ‘공간과 시간의 본질’을 향한 하나의 연속된 실험이다.
그가 쓴 책 중 우리말로 번역된 저서는 모두 여섯 권이다. 그의 책들은 서로 다른 주제를 다루는 듯 보이지만, 그 밑바탕에는 언제나 공간과 시간의 본질이라는 하나의 축, 즉 고대의 물리적 공간에서 출발하여, 상대성이론의 시공간, 그리고 루프 양자중력이 제시하는 양자적 관계망의 세상에 이르기까지, 끊임없이 “세계는 무엇으로 이루어져 있는가”라는 질문으로 수렴된다.
그의 저서를 우리말로 번역된 순서대로 살펴보면 다음과 같다.
1. ⟪모든 순간의 물리학⟫ (김현주 옮김, 쌤앤파커스, 2016)
카를로 로벨리를 대중 과학자로 인식시킨 베스트셀러다. 그의 조국 이탈리아에서만 30만 부 이상 팔려나갔다고 한다. 이 책을 비롯한 그의 저서 대부분은 물리학 방정식2)을 사용하지 않고, 비유와 일상의 언어로 물리법칙을 설명한다. 이 점이 로벨리를 뛰어난 이론물리학자이자 탁월한 대중 과학자로 자리매김하게 한 핵심적인 이유다.
2. ⟪보이는 세상은 실재가 아니다⟫ (김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2018)
이 책은 2014년 초에 이탈리아에서 출판되었다. 앞서 소개한 ⟪모든 순간의 물리학⟫이 이 책의 내용을 확장하고 요약한 종합 버전이라면, 이 책은 로벨리의 물리학을 보다 깊이 있게 전개한 저작이다.
로벨리는 고대 원자론에서 현대 루프 양자중력에 이르는 사유의 여정을 통해, 세상은 독립된 실체의 집합이 아니라 관계 속에서 드러나는 사건들의 집합이라는 점, 즉 ‘시공간은 공변 양자장의 관계망이다’라는 세계의 구성을 제시한다.
시공간은 고정된 무대가 아니라 함께 진동하고 변하는 관계적 장이며, 로벨리에게 "세계는 단 하나의 재료, 곧 공변 양자장으로 이루어져 있다. 이때 ‘공변’은 시공 자체를 생성할 수 있는 '장들(fields)'"을 말하며3) 관계적 우주를 기술하는 물리학의 언어다.
‘공변’이란 세계의 모든 구성요소가 서로 영향을 주고받으며 관계적으로 함께 변하는 성질, 즉 "공간과 시간 속에 있는 것이 아니라, 상호작용을 통해 공간과 시간을 엮어내는 불연속적인 실체"4)들을 뜻한다. 즉, 공변(covariant) 양자장은 시간과 공간이 따로 존재하는 것이 아니라, 모든 사건이 서로 관계 맺으며 동시에 변하는 ‘관계적 시공간의 장’을 뜻한다. 고전물리학에서 시공간은 '배경'이었지만, 루프 양자중력에서는 시공간 자체가 양자화되어, 장의 일부가 된다.
3. ⟪시간은 흐르지 않는다⟫ (이중원 옮김, 쌤앤파커스, 2019)
'시간'은 카를로 로벨리가 평생에 걸쳐 탐구해온 연구의 핵심 주제다. 『시간은 흐르지 않는다』는 양자중력 연구에서 축적된 사유의 결과물에 가깝다. '로벨리 물리학'을 소개하는 이 시리즈 연재물 또한 이 '시간'이라는 개념으로 마지막을 장식한다.
이 책의 출발점은 단순한 질문이다.
시간은 정말로 흐르는가?
로벨리는 우리가 일상적으로 사용하는 ‘시간’을 단일하고 절대적인 실체가 아니라, 서로 다른 층위의 구조들이 중첩된 복합 개념으로 파악한다. 이 책은 시간을 크게 세 층으로 구분하는데, 우리가 경험하는 시간은 바로 이 구조적 중첩의 결과물이다.
먼저 그는 아인슈타인의 상대성 이론을 통해 시간의 절대성이 붕괴되었음을 설명한다. 시간은 어디에서나 같은 속도로 흐르지 않는다. 움직이는 속도와 중력의 세기에 따라 각기 다른 리듬을 가진다. 따라서 우주 전체가 공유하는 하나의 ‘지금’은 존재하지 않는다. 각 사건은 저마다의 고유시간을 가지며, 시간은 이미 하나가 아니다.
이어 로벨리는 우리가 느끼는 시간의 방향성, 즉 과거에서 미래로 흐른다는 감각을 열역학에서 찾는다. 자연 법칙 자체는 과거와 미래를 구분하지 않지만, 엔트로피가 증가하는 방향(엔트로피 법칙: $\Delta S \ge 0$)으로만 변화가 일어나기 때문에 우리는 '시간의 화살'을 경험한다. 이때 중요한 점은, 시간의 방향이 세계의 본질이 아니라 낮은 엔트로피라는 우주의 초기 조건과 인간 인식의 '희미함'에서 비롯된다는 사실이다.
더 깊은 층위로 내려가면 시간은 '방향성'마저 상실한다. 미시 세계를 지배하는 기본 방정식들에는 시간 변수($t$)가 포함되어 있지 않다. 이 방정식들은 시간이 흐름에 따라 사물이 어떻게 변하는지를 설명하지 않는다. 대신 사물들이 서로에 대해 어떻게 변화하는지, 즉 변수들 간의 관계만을 기술한다. 세계는 시간이 흐르는 무대가 아니라, 사물들이 서로 맺는 관계와 사건들의 네트워크다. 이것이 양자적 시간이다.
이 책은 우리가 시간의 흐름을 경험하는 이유가 세계에 시간이 내재해서가 아님을 밝힌다. 시간은 우리가 관계 속에서 세계를 기술하는 방식에서 창발하는 현상이다. 변화가 존재하고, 그 변화를 기준 삼아 다른 변화를 읽어내는 인식 구조가 작동하는 한 시간은 필연적으로 등장한다.
결국 로벨리는 이 책에서 시간은 근본적 실체가 아니며, 인간이 세계를 읽어내는 기술 방식의 산물임을 역설한다.
4. ⟪만약 시간이 존재하지 않는다면⟫ (김보희 옮김, 쌤앤파커스, 2021)
로벨리가 구축한 루프 양자중력 이론의 형성과정을 서술한 자전적 전기라고 할 수 있는 책이다. 동료 과학자들의 도움으로 루프 양자중력 이론의 수학적 틀을 소개한 저작이다.
5. ⟪나 없이는 존재하지 않는 세상⟫ (김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2023)
상대성이론으로 대표되는 20세기 물리학에서부터 양자역학, 그리고 루프 양자중력으로 이어지는 양자적 관계망의 물리학을 다룬다.
이 책의 핵심은 세계가 독립된 실체로 존재하는 것이 아니라, 관찰자와 피관찰자의 상호작용 속에서만 드러난다는 점이다. 이는 1990년대 중반 '양자역학의 관계론적 해석'이 등장하면서 더욱 명확해지기 시작했다.5)
그는 양자역학의 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement) 현상을 통해, 세계가 고정된 실재가 아니라 관계적 사건의 네트워크임을 보여준다. 특히 이러한 사유는 동양 철학, 특히 인도 불교의 철학자 나가르주나(Nāgārjuna)가 말한 ‘공(空, śūnyatā)’의 사상과 깊은 공명을 이룬다.6) 즉, 존재는 독립된 실체가 아니라 관계 속에서만 존재하는 흐름이라는 것이다.
6. ⟪화이트홀⟫ (김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2024)
블랙홀 내부에서 멈춘 시간이 다시 흐르기 시작하는 순간, 화이트홀의 가능성을 제시한다. 이는 로벨리의 평생 연구가 도달한 시간 개념의 극점이며, 루프 양자중력이 제시하는 순환적 우주론, ‘빅 바운스(Big Bounce)’의 사유적 완성이다.
이상 로벨리의 저서 6권을 간략히 소개하였지만 로벨리가 가리키는 근본적인 물음은 언제나 같다.
“공간과 시간은 실체인가, 아니면 관계인가?”
그의 양자중력은 아인슈타인으로 대표되는 20세기 물리학의 법칙을 재구성하며, 인간 인식의 경계, 곧 “우리가 세계를 어떻게 아는가”라는 문제를 새롭게 묻는 사유의 실험이다.
이 글은 그러한 로벨리의 저작을 중심으로, 공간과 시간이 어떻게 물리적 개념에서 관계적 존재론으로 변모했는지를 탐구하려 한다. 서론 포함 모두 23편의 장대한 시리즈 연재물이다.
이 탐구는 인간이 세계를 인식하는 방식, 즉, 우리가 “어디에 있으며 어떻게 존재하는가”를 다시 묻는 철학적 여정이 될 것이다.
기초 물리학의 비극 7)
20세기 과학적 대혁명은 두 가지 사건으로 이루어져 있다. 바로 양자역학과 아인슈타인의 일반상대성이론이다. 양자역학은 미시세계를 훌륭하게 서술해 물질에 대한 우리의 지식을 뿌리째 흔들었고, 일반상대성이론은 중력의 힘을 명확히 설명하면서 시간과 공간에 대한 우리의 지식을 근본적으로 바꿔놓았다. 두 이론은 모두 실험을 통해 확인되었으며, 현대 기술 발전의 많은 부분을 가능하게 만들었다.
하지만 두 이론이 세계를 서술하는 방식은 너무 다르다. 언뜻 보기에도 양립 불가능하게 보인다.
그런 만큼 두 이론을 동시에 적용할 수 있는 일반적인 물리적 상황은 존재하지 않는 것처럼 보인다. 현상의 규모에 따라 양자역학이나 일반상대성이론 중 하나를 적용할 수 있을 뿐이다. 두 이론을 모두 적용할 수 있는 물리적 상황은 아주 작은 영역8)이나 블랙홀의 중심, 우주 생성의 초기 단계 등 우리가 가진 도구로는 접근하기 어려운 에너지 준위를 전제로 하고 있다.
아직까지 우리는 두 이론을 연결할 방법을 알지 못한다. 두 세계를 사유할 포괄적 틀을 가지고 있지 않기 때문이다. 사실상 공간, 시간, 물질이 무엇인지 더 이상 알 수 없는 지경에 이르렀다. 오늘날의 기초물리학은 실로 비극적인 상태에 놓여 있다.
로벨리는, 두 이론의 연결 원리를 아직 완성하지 못한 상태라는 점에서 물리학은 개념적 난제를 안고 있으며, 이러한 공백을 ‘비극적 간극’이라 부르고 있다.
두 이론은 전통 물리학이 지닌 개념적 기반을 각각 일관성 있게 바꾸었지만, 두 가지 모두를 포괄할 수 있는 개념적 틀은 아직 나오지 않았다. 그 결과, 중력이 양자효과를 나타내기 시작하는 $10^{-33}cm$ 미만의 영역에서 어떤 일이 일어날지 전혀 예측할 수 없다. 물론 이것은 극단적인 규모이긴 하지만, 어쨌든 설명9)할 수 있어야 한다. 실제로 이 정도로 작은 규모에서 일어나는 현상은 자연에도 존재한다. 우주 대폭발 때에도, 블랙홀 근처에도 존재하고 있다. 이 현상을 이해하려면 어떤 일이 일어날지 계산할 수 있어야 한다. 즉 두 이론을 연결해야 하는 것이다. 그것이 바로 '양자중력'의 핵심 문제이다.
로벨리가 말하는 양자중력은 이러한 간극에서 출발하고, “공간이란 무엇인가”라는 물음으로부터 시작된다.(끝)
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"이 연재는 로벨리 물리학을 소개하는 동심헌(童心軒)의 기획 시리즈입니다."
🔖 주(註)
1)그러나 로벨리는 이 이론이 우리가 사는 이 세계를 정확히 서술하고 있다고는 확신을 얻을 수 없다고 말한다. 실험을 통해 가설들이 확인된 것도 아니고, 실질적으로 응용된 적도 없기 때문이라는 것이다. 사변적인 상태에 머물러 있음을 지적하고 있다. 그러나 로벨리는 루프 양자중력이론이 아인슈타인의 일반상대성이론과 깊은 연관성이 있음을 수학적으로 증명하는 데 성공했다는 사실을 강조했다. 이러한 연구 성과를 바탕으로 로벨리는 루프 양자중력이론이 일반상대성이론ㅡ 양자역학, 표준모형이론 다음으로 거시와 미시세계를 아우르는 자연현상을 설명할 하나의 유력한 후보가 될 것이라고 자신하고 있다.↩
2) 이 책에 기술된 유일한 방정식은 29페이지에 나오는 $R_{\alpha\beta} - \frac{1}{2}R g_{\alpha\beta} = T_{\alpha\beta} $ 이다. 이 식은 시공간의 기하(좌변)와 물질과 에너지의 분포(우변)와 연결된다는 아인슈타인 일반상대성이론의 기본 방정식이다. “시공간은 물질의 분포에 의해 휘어진다”는 현대 물리학의 세계관을 가장 압축적으로 표현한 수식이다.
물질은 시공간을 휘게 만들고, 휘어진 시공간은 다시 물질의 운동을 결정한다. 중력은 힘이 아니라 '시공간의 기하학적 곡률’이다. 태양이 시공간을 휘게 만들고, 지구는 그 휘어진 시공간을 따라 운동하기 때문에 공전이 이루어진다.
다시 말하면, 좌변은 시공간의 곡률로서 공간과 시간의 구조를, 우변은 에너지-운동량으로서 물질과 에너지의 내용을 나타낸다. 그리고 등호(=)는 물질이 시공간의 형태를 결정한다는 의미를 지닌다. 이는 곧 우주가 물리학적·기하학적 상호작용의 결과물임을 뜻하며, 시공간은 단순한 ‘무대’가 아니라 내용물에 의해 변형되는 살아 있는 구조라는 의미이다.
이 방정식은 물리학을 넘어 존재론적 의미를 지닌다. 아인슈타인은 이 식을 통해 “기하학이 곧 물리학이다”라는 새로운 세계관을 열었다. 물질이 곡률(시공간의 형태)을 결정한다는 의미는, 시공간이 단순한 배경이 아니라 사건들로 짜인 관계적 구조임을 말한다.
카를로 로벨리는 이 방정식을 루프 양자중력이론으로 심화시켰다. 루프 양자중력은 아인슈타인의 방정식을 미시적 수준에서 재해석한 이론이라 할 수 있다.
세상은 시간과 공간이 따로 존재하는 것이 아니라, 모든 사건이 서로 관계 맺으며 동시에 변하는 관계적 시공간의 장, 즉 “공변 양자장(covariant quantum field)”이다. 이 개념은 바로 아인슈타인 방정식의 양자적 형태라 볼 수 있다.
이 방정식은 우주를 존재의 ‘관계적 장(場)’으로 보는 로벨리 사유의 출발점이다.↩
3) 카를로 로벨리, 『보이는 세상은 실재가 아니다』, 김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2018, 192쪽.↩
4) 위의 책, 195쪽.↩
5) 카를로 로벨리, 『나 없이는 존재하지 않는 세상』, 김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2023, 169쪽.↩
6) 위의 책, 177쪽. ↩
7) ⟪만약 시간이 존재하지 않는다면⟫ 김보희 옮김, 쌤앤파커스, 2021, 제1장 참고.↩
8) 우리는 이 영역을 '플랑크 영역'이라고 한다. 플랑크 길이는 $10^{-33}cm$ 수준이다. 로벨리는 이 개념을 자신의 저서 여러 곳에서 설명한다.↩
9) "무한"을 가정하고 있는 "일반상대성이론 방정식은 빅뱅에 적용할 경우 방정식의 값이 무한대가 되어 계산 자체가 불가능해진다."(카를로 로벨리, 『만약 시간이 존재하지 않는다면』, 김보희 옮김, 쌤앤파커스, 2021, 123쪽)↩