시간(時間, time)은 비(非)공간적인 연속체(連續體)

산과바다

 

봄인가? 하면 벌써 여름 가을 겨울이 지나가고 쉼없이 시간은 흘러가는데...... 

 

 

 

 

 

시간은 비(非)공간적인 연속체(連續體)

출처: 브리태니커

시간(時間, time) - 물리학

과거로부터 현재를 통해 미래로 움직이는 비(非)공간적인 연속체(連續體). 수수께끼 같은 시간의 개념은 흐르는 것처럼 보이지만 그 진행은 이해하기 힘들다. 예로부터 시간은 관측할 수 있는 세계가 속해 있는 3차원과 따로 분리하여 생각했으나 오늘날의 현대 물리이론은 시간과 공간을 시공간 연속체라고 하는 단일한 양으로 통합시켰다.

철학자들은 시간에 대한 고찰을 할 때 이것을 2개의 범주로 나눈다. 영국계 미국의 후기 형이상학자 앨프레드 노스 화이트헤드와 시간을 연속적인 것으로 생각하는 과정철학자들은 시간의 흐름이 중요한 형이상학적 사실이기는 하지만 그 흐름은 비합리적인 직관에 의해서만 이해될 수 있다고 주장한다. 반면에 시간을 불연속체의 무한한 집합으로 생각하는 철학자들은 시간의 흐름이나 시간을 통한 인간의 진보는 환영이라고 주장한다. 과정철학자들은 미래는 열려 있고 과거는 불변하다고 주장하는 반면 시간의 불연속성을 주장하는 철학자들은 과거를 바꾼다는 말과 같이 미래를 변화시킨다는 말도 무의미하다고 주장한다.

시간에 대한 서로 다른 철학적 해석은 역사 전반을 통해 지속된 시간에 대한 여러 가지 관점을 반영한다. 고대 그리스의 철학자 파르메니데스와 제논(BC 6~5세기)은, 변화는 논리적으로 생각할 수조차 없으며 겉보기와는 달리 현실은 유일하며 움직이지 않는다고 주장했다(→엘레아학파). 즉 시간은 환영이라는 것이었다. 시간의 흐름이 환영이라는 관념은 특정 인도철학자들의 주의(主義)나 불교와 같은 종교의 교리이기도 하다. 반면에 그리스의 철학자 헤라클레이토스의 제자와 같은 고대인들은 시간의 흐름은 현실의 본질이라고 주장했다. 사건을 윤회적인 관점과 직선적인 관점으로 나누는 사상가들과 함께 시간에 대한 다양한 해석은 궁극적으로 인류역사에 대한 관점이나 행위에 대한 규범에 큰 차이를 만들었다.

 

시간에 대한 윤회적인 관점은 힌두인, 고대 그리스인, 중국인, 아스텍인들 사이에 널리 성행했으며, 어느 정도는 현대 서구사회에서 재현되었다. 이러한 관점에서 시간은 고전적으로 음(陰)과 양(陽) 사이의 변화에 대한 중국인들의 관념으로 표현된 서로 다른 리듬으로 움직인다. 여기에서 음은 수동적인 여성의 원리이고 양은 활동적인 남성의 원리이다. 고대 그리스의 철학자인 엠페도클레스는 음과 양의 등가물(等價物)은 사랑과 투쟁이라고 생각했다. 이와는 대조적으로 시간에 대한 직선적인 관점에서 시간의 흐름은 순환하지 않으며 시작과 끝이 있다고 주장했다. 몇몇 사람들은 만약 시대를 초월하는 어떤 힘이 시간의 흐름을 조정할 수 있다면 앞에서 언급한 시간에 대한 제한들은 상상할 수 있다고 생각했으며 시간을 창조하고 없애는 신(神)이 때때로 이러한 작용을 한다고 생각했다.

시간에 대한 초기의 과학적 개념은 아이작 뉴턴(Newton)까지 거슬러 올라가는데, 그는 절대시간(絶對時間)을 붙박이별의 겉보기 운동으로 측정된 겉보기 시간과 구별했다(→천체역학, 고전역학). 뉴턴의 절대시간은 이상적인 시간척도였으며 그의 관점은 독일의 철학자 이마누엘 칸트의 사상을 형성시키는 데 도움을 주었다. 칸트는 시공간이 미지세계의 일부분이 아니라 현상학적 사실이라고 주장했다. 뉴턴의 연구가 시간의 성질에 대한 과학적 연구의 기초를 세우면서 뉴턴 역학의 많은 것들이 일정한 시간의 주기를 갖는 계에 관련을 두게 되었다. 시간을 통해 전개되는 계에 대한 연구는 19세기에 처음으로 시작되었다.

시간과 현대 물리이론의 완전한 통합은 20세기로의 전환기에 알베르트 아인슈타인과 헤르만 민코프스키의 독창적인 연구 이후로 중요한 문제가 되었다. 아인슈타인의 특수상대성이론에서 시공간은 빛의 속력에 가깝게 움직이는 물체에 대해 직관과 다르게 작용한다. 운동하는 물체의 길이는 운동방향으로 줄어들고 움직이는 시계는 정지한 시계보다 더 느리게 가는 것으로 관측된다. 민코프스키는 이러한 두 현상이 일반적인 3차원 공간에 시간을 덧붙인 4차원 시공간 좌표계(座標系) 안에서 이해될 수 있음을 보였다. 시간은 아직까지 정의하기 어려운 양이지만 오늘날 가장 정확하게 측정된 물리량이라는 것은 다소 모순되는 것 같다. 많은 시간의 척도가 개발되어 왔는데 가장 중요한 것은 지구 자전을 바탕으로 하는 자전時 천체의 운동방정식에서 그 역할에 따라 정의된 역학적 시간, 그리고 원자과정이 극도로 규칙적인 것을 바탕으로 하는 원자時 등으로 범주를 나눌 수 있다. 원자시계는 정밀도가 매우 높기 때문에 실제로 빛의 속력보다 훨씬 느린 일상적인 상황에서 상대론적 효과에 의해 예견되는 미세한 시간의 차이를 발견하고자 할 때 사용할 수 있다.

 

시원한 여름의 파도소리에 더위를 잊고......(새만금 바닷가에서) 

 

 

1태양일(太陽日)을 24시간, 1시간을 60분, 1분을 60초로 나누는 자전시는 그 기원이 고대에 있지만, 대략 1600년경에 널리 사용되기 시작했다. 지구의 자전은 별과 태양이 매일 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것처럼 보이게 한다. 태양일은 단순히 관측자의 천구자오선을 통과하는 태양이 다시 그 지점을 통과할 때까지의 시간 간격이다. 물론 지방평균태양시는 경도에 따라 다르며, 시간은 경도 1°씩 동쪽으로 이동할 때마다 4분씩 앞선다.

뉴욕 새러토가 스프링스에 있는 학교 교장인 찰스 F. 다우드는 1869년 시간대 설정을 제안하면서 이 시간대 안에 있는 모든 지역의 시간을 같게 했다. 이 착상은 1883년에 미국과 캐나다 철도에 의해 채택되었다.

1884년 10월에는 워싱턴 에서 개최된 국제회의에서 24개의 표준시간대가 채택되었다. 본초자오선(本初子午線)은 잉글랜드 그리니치 천문대를 지나는 선으로 설정되었으며, 시간대가 다르면 1시간을 단위로 하여 서로 다른 시간을 설정했다. 그러나 주어진 시간대 안에서는 분과 초가 서로 같다. 시간대를 채택함에 따라 경도 180° 근처인 태평양 중앙을 구불구불하게 가로지르는 날짜변경선이 설정되었다. 날짜선을 넘어 서쪽으로 여행할 때는 달력에서 하루를 더하고, 반대로 동쪽으로 지나갈 때는 하루를 늦춘다. 1925년 초에는 하루의 시작을 정오(正午)에서 자정(子正)으로 바꾸었다. 그리니치 평균시(GMT)는 그리니치를 지나는 본초자오선을 표준시로 사용했지만, 정오에서 자정으로 시작점을 옮김에 따라 혼란이 야기되었다. 그래서 1928년 국제천문학연합(IAU)에서는 세계시(世界時)를 채택하게 되었다. 1955년 IAU는 극운동(極運動)에 따라 서로 약간씩 다른 몇 개의 세계시를 제정했다.

지구의 자전속도를 바탕으로 하는 모든 시간법이 갖는 어려움은 지구의 자전이 완전히 균일하지 않다는 것이다. 자전속도의 변화는 조석마찰(潮汐摩擦), 중심핵의 운동, 그리고 계절적 기상현상으로 인해 발생한다. 중심핵의 운동에 의한 자전의 불규칙한 변화와 기상현상에 의한 자전의 주기적인 변화는 시간에 따라 자전속도를 감소시키는 조석마찰에 의한 변화 때문에 무시되곤 한다. 지구 자전이 느려짐에 따라 이를 조정하기 위해 협정세계시라는 시간법이 1960년대 초에 도입되었다. 이것의 접근원칙은 자전 기준을 원자시계로 보정한다는 것이다. 2개를 일치시키기 위해 필요할 때마다 윤초가 협정세계시에 삽입되는데, 특정 월(보통 6월이나 12월)의 마지막 1분을 61초가 되도록 하는 것이다. 1972년 이후 1년에 약 1윤초가 삽입되어왔다.

2번째로 중요한 시간척도인 역학적 시간은 가장 민감한 지표로 하늘에서 움직이는 달의 운동을 근거로 한다. 그러나 조석마찰이 고려되면서 단순하던 방법이 복잡하게 되었다. 1976년 IAU는 1984년 초의 역서에 사용하기 위해 역학적 시간에 대한 2개의 척도를 정의했다. 첫 번째인 질량중심의 역학적 시간은 상대론적 효과가 고려된 천체의 운동방정식으로부터 결정된다. 이 방정식은 태양계의 무게중심 또는 질량중심에 대해 상대적으로 구한다. 2번째로 지구 역학적 시간에서는 상대적인 효과가 무시된다. 1984년 1월 1일 이후 〈천문역서 The Astronomical Almanac〉에 나타난 천체의 좌표들에 대한 표(역표)는 캘리포니아 패서디나에 있는 제트 추진연구소의 매우 정밀한 자료를 바탕으로 한다. 이 연구는 태양·달·행성의 운동방정식에 대한 연립 수치적분(數値積分)을 포함한다. 특정 시간에서 천체의 좌표와 속도는 레이더, 레이저 빔, 우주선에 의한 정확한 거리 측정, 광학적인 각(角) 관측, 그리고 원자시계를 토대로 한다.

3번째로 중요한 시간척도는 원자현상의 규칙성을 바탕으로 한다. 원자는 연속적인 에너지를 흡수 또는 방출할 수 없는 것으로 판명되었다. 즉 에너지는 광자라고 하는 덩어리로만 흡수 또는 방출될 수 있으며, 원자는 불연속 에너지 상태로만 존재할 수 있다. 원자는 한 상태에서 에너지가 낮은 다른 상태로 전이할 때 특정 진동수의 빛을 방출한다. 이 빛의 진동수는 초당 진동횟수(㎐)로 측정되므로 이른바 원자시계라는 정확한 시간표시기가 사용된다.

1955~58년에 국립물리연구소와 미 해군 천문대는 마이크로파에 의해 자극을 받는 세슘 원자에서 방출된 복사의 진동수를 결정하는 실험을 수행했다. 실험자들은 세슘-133(133Cs) 원자의 전이 진동수를 91억 9,263만 1,770Hz로 측정했다. 이 실험을 통해 세슘-빔 원자시계가 도입되었으며, 1967년에는 1초를 세슘 원자에 의해 방출 또는 흡수된 복사의 주기인 91억 9,263만 1,770Hz와 같다고 다시 정의했다(→ 국제단위계). 이러한 시간은 몇 가지 장점이 있다. 즉 시계를 작동시키는 기본 진동수가 변하지 않으며, 분수오차(fractional error)는 거의 무시될 수 있고 사용하기 편하다는 것이다.

초기의 실험 이후 수천 개의 세슘 시계가 상업적으로 제작되어 작동하고 있는데, 1개의 무게는 약 32kg이다. 몇몇 실험실에서 진동수의 1차 표준기로 사용하기 위해 더 큰 세슘 시계를 제작했다. 그밖에 세슘 이외의 다른 원소를 바탕으로 한 원자시계도 개발되었다. 하버드대학교의 연구원들은 진동수가 약 14억 2,040만 5,751.77Hz인 수소 메이저(불연속 마이크로 파원)로 조절되는 시계를 만들었는데 어떤 메이저의 진동수는 몇 시간 동안 약 10-14h 이내로 안정성이 유지된다. 루비듐 원자를 바탕으로 한 시계도 만들었으나, 세슘 시계만큼 정밀하지는 않았다.

 

고운단풍이 세월(시간)의 흐름을 달래주는듯 하여 마음의 위안이 되고......(백암산 단풍)

 

 

원자시계를 바탕으로 한 시간척도인 국제원자시는 약 175개의 상업용 세슘 시계에 의한 1일 척도와 함께 약 6개의 세슘 원기로부터 얻어진다. 이 시계와 원기는 전 세계적으로 약 30군데의 실험실과 관측소에 있다. 이 시계는 매우 정밀해서 이들 중 2개는 서로 1,000년에 0.003초 이하 밖에 차이가 나지 않는다. 많은 나라에서는 정확한 시간과 진동수를 무선으로 방송하고 있다. 항공기에 탑재된 세슘 시계는 전 세계의 시계와 맞추기 위해 사용되며, 1962년 이후에는 인공위성이 멀리 떨어진 시계를 위해 이와 비슷하게 이용되고 있다.

4번째 시간척도는 펄서에 의해 제공된다. 펄서는 자기장축과 자전축이 일치하지 않는, 빠르게 자전하는 중성자별인 것으로 생각된다. 이 별이 자전함에 따라 일정한 주기로 강한 전자기복사 펄스를 방출한다. 펄서는 복사를 방출함에 따라 자전속도가 느려지지만, 그 주기는 증가하여 시계로 계속 사용할 수 있다. 몇몇 펄서를 계속 관측하면 지구의 궤도 위치를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다. 그 결과 다른 행성에 의한 지구 운동의 섭동과 관련된 더욱 정밀한 자료를 얻을 수 있어서, 이러한 행성들의 질량을 더욱 정밀하게 계산할 수 있다.

한 원자핵이 다른 핵으로 방사성붕괴를 하는 것도 아직까지 또 다른 시간척도로 사용되고 있다(→ 방사성 연대측정법). 원자 하나의 수명이 어떤 값을 갖는다면, 눈에 보이는 시료 원자가 절반으로 붕괴하는 시간을 측정할 수 있으며, 이러한 이른바 반감기(反減期)는 훌륭한 시간표시기이다. 예를 들어 암석의 나이는 방사성 원소와 그것의 붕괴 생성물의 비를 측정하여 구할 수 있다. 우라늄·칼륨·루비듐의 붕괴는 지구에서 발견된 가장 오래된 암석의 나이(약 35억 년)를 측정하기 위해 사용된다. 달의 암석과 운석은 약 45억 년이며, 이것은 지구 나이와 거의 같다.

또한 500~5만 년 범위 내의 생물체 나이는 방사성 탄소 연대측정법에 의해 구해질 수 있다. 유기체가 살아 있을 때, 그것의 몸체에는 안정한 탄소-12(12C)의 원자 1,000억 개 가운데 우주선으로부터 대기 중에 형성된 방사성 탄소-14(14C)의 원자가 약 1개 정도 있다. 유기체가 죽으면, 대기와의 탄소교환을 멈추고 12C에 대한 14C의 비는 5,730년의 반감기로 감소하기 시작한다. 따라서 이 비의 측정을 통해 유기체의 나이를 알아낼 수 있다.

 

     소복하게 덮어주니 마음이 차분해지고 세월(시간)은 벌써 일년이 지나는 구나......

 

각계의 시간은?

1 [물리]지구의 자전 주기를 재서 얻은 단위. 이론적으로 고전 물리학에서는 공간에서 독립한 변수 곧 절대 시간으로 다루어졌으나, 아인슈타인의 상대성 원리에서는 양자가 물리적 사건을 매개로 하여 사차원의 시공 세계를 형성하는 것으로 다루고 있다.

2 [불교]색(色)과 심(心)이 합한 경계.

3 [심리]전후(前後), 동시(同時), 계속의 장단(長短)에 관한 의식(意識).

4 [철학]과거로부터 현재와 미래로 무한히 연속되는 것. 곧 사물의 현상이나 운동, 발전의 계기성과 지속성을 규정하는 객관적인 존재 형식을 말한다.

물리학에서의 시간

연속된 사건의 변화를 시간이라고 한다.

시간이 왜 흘러가는지에 대한 설명은 여러 가지 있지만 그중에 한 가지는 바로 엔트로피이다.

열역학 제2법칙은 "우주의 총 엔트로피는 항상 증가 한다"이다.

엔트로피가 증가함으로써 시공간의 에너지 분포가(그것이 물질이든 공간이든) 변하기 때문에 시간이 흘러간다고 말할 수 있다. 여기서 한 가지 흥미로운 것은 만약 우리가 우주의 총 엔트로피를 감소시킬 수 있다면, 이른바 엎질러진 물을 주워 담고 깨진 계란이 다시 원래상태로 돌아가는 등 시간을 되돌릴 수 있다.

참고: 시간이 사건의 측정을 위한 인위적인 단위에 불과한지 아니면 사건과는 독립적으로 존재하는 물리학적 의미를 갖는 어떠한 양인지는 정확히 알려진바 없다.

시간의 용어

한자어 "時間"은 일본에서 영어 "time"을 번역한 근대적 개념어로서 한국에서도 사용되고 있다. 한국에서는 그 전에 "시각(時刻)"이라는 전통적 용어를 사용하고 있었다.

산과바다 이계도