아인슈타인이 놓친 것, 2부 — 음의 질량과 시간의 화살
시공간 돌파 속도 가설의 확장
프롤로그
엔트로피를 부수고 싶었다.
파킨슨 에세이에서 나는 시간이 흐르는 이유, 인간이 늙는 이유, 파킨슨이 진행하는 이유가 엔트로피라는 하나의 얼굴이라는 결론에 도달했다. 그 에세이를 이렇게 맺었다. "엔트로피는 인류의 현재 한계이지만 영원한 한계가 아닐 것이다." 메커니즘 없이 남긴 고백이었다.
나는 멈췄다. 노화도, 파킨슨도, 알츠하이머도 멈추는 방법이 없었다. 각 질환은 각자의 표면 문제를 가지고 있었고, 그 표면 아래에는 공통된 벽이 있었다. 엔트로피라는 벽이었다. 나는 그 벽에 이름을 붙였을 뿐, 뚫지는 못했다.
이 문장을 쓴 뒤에도 벽이 계속 생각났다. 이름을 붙였다고 벽이 낮아지지 않았다. 몇 시간 동안 생각했다. 엔트로피를 깨는 방법이 어딘가에 있을 텐데, 그게 뭔지 잡히지 않았다. 결국 생각을 끝내지 못하고 잤다.
자고 일어났더니 음의 질량이 떠올라 있었다.
질문은 단순했다. 질량이 시간의 근원이라면, 음의 질량이면 어떻게 되지.
Part 1 — 질문과 현재의 지형
질문
기존 에세이 '아인슈타인이 놓친 것'에서 나는 다음의 결론에 도달했다. 중력은 힘이 아니다. 중력은 속도다. 시공간은 단일 연속체가 아니라 층 구조다. 모든 물체는 시공간을 돌파하고, 그 돌파의 상태를 기술하는 값이 시공간 돌파 속도다. 질량은 시공간 돌파 속도를 만드는 능력이다. 빛은 질량이 없어서 시간을 경험하지 않는다. 질량이 없으면 시간도 없다. 그러므로 질량이 시간을 만든다. 질량이 시간의 근원이다.
이 결론은 그 자체로 대담한 주장이었다. 표준 상대성이론은 "질량 있는 물체는 시간이 느리게 흐른다"까지는 말하지만, "질량이 시간의 근원이다"는 말하지 않는다. 나는 그 한 걸음을 더 밟았다.
한 걸음을 더 밟으면 그 다음 걸음이 생긴다. 질량이 시간을 만든다면, 음의 질량은 무엇을 만드는가.
현재 물리학이 아는 것과 모르는 것
음의 질량은 물리학에서 금기에 가까운 개념이었다. 1928년 Dirac이 전자 방정식을 풀었을 때 해 중 절반이 음의 에너지를 가리켰다. Dirac은 이 해를 버리지 않고 반입자 해석으로 재구성했다. 음의 에너지는 실제 물질이 아니라 반물질의 부호로 해석됐다. 1957년 Bondi는 음의 질량이 양의 질량과 같이 있으면 두 입자가 같은 방향으로 영원히 가속하는 runaway motion이 발생한다는 것을 계산했다. 이 결과는 음의 질량을 더 이상한 대상으로 만들었지만, 수학적 가능성으로는 남겼다.
실험적 돌파는 최근이었다. 2017년 워싱턴주립대 연구팀이 루비듐 원자를 절대영도 근처까지 냉각시켜 보스-아인슈타인 응축 상태로 만든 뒤, 레이저로 회전시켰다. 충분한 속도에 이르자 루비듐 원자가 음의 질량을 가진 물체처럼 행동했다. 밀었더니 마치 보이지 않는 벽에 튕겨 나오듯 움직였다. 2018년 로체스터대 연구팀은 몰리브덴 다이셀레나이드 반도체와 제한광을 이용해 폴라리톤 시스템에서 음의 유효 질량을 구현했다. 2025년 Bormashenko 연구팀은 폴리머 탄성에 기반한 엔트로피 힘 시스템에서 음의 유효 질량과 음의 유효 밀도가 나타나는 조건을 보고했다.
이 실험들은 모두 유효 질량이다. 특정 시스템 안에서 입자가 음의 질량처럼 행동하는 집단 현상이지, 독립된 물체가 그 자체로 음의 중력 질량을 가진 사례는 아니다. 루비듐 원자를 응축체 바깥에서 측정하면 여전히 양의 질량이다.
우주론 쪽에도 움직임이 있다. Farnes는 2018년에 암흑에너지와 암흑물질을 하나의 음의 질량 유체로 통합하는 수정 ΛCDM 모델을 제시했다. 지속적으로 생성되는 음의 질량이 우주 팽창을 가속하고 은하 회전 곡선을 평탄화한다는 주장이다. 2024년에는 DESI 바리온 음향 진동 측정과 CMB 데이터 결합 분석에서 중성미자 질량 합이 음수로 수렴하는 결과가 나왔다. 여러 해석이 제시되고 있다.
기각된 방향도 있다. 반물질이 음의 중력 질량을 가진다는 가설은 2023년 CERN의 ALPHA 실험에서 기각됐다. 반수소가 일반 물질과 같은 속도로 떨어졌다. 반물질은 양의 중력 질량을 갖는다.
남는 것은 이것이다. 진짜 중력적 음의 질량은 지금까지 한 번도 관측된 적이 없다. 유효 음의 질량만 재현되고 있다. 진짜 음의 질량의 물리학은 공백이다.
Part 2 — 네 각도
각도 1. 음의 질량은 음의 시간을 만든다
질량이 시간을 만드는 것이라면, 음의 질량은 음의 시간을 만든다.
이것은 수사적 유희가 아니라 직접적 귀결이다. 질량이 양의 값을 가지기 때문에 시간이 순방향으로 흐른다면, 질량이 음의 값을 가질 때 시간은 역방향으로 흐른다. 질량의 부호가 시간의 부호를 결정한다.
빛이 질량이 없어서 시간을 경험하지 않는다는 관찰은 이 주장을 지지한다. 질량의 크기가 0일 때 시간의 크기도 0이다. 두 양이 같은 방향으로 움직인다. 질량이 0을 넘어 음의 값으로 들어가면, 시간도 0을 넘어 음의 값으로 들어간다.
음의 질량을 가진 물체가 있는 영역에서는 무엇이 일어나는가. 그 주변에서 시간이 역방향으로 생성된다. 양의 질량 물체의 주변에서 시간이 순방향으로 흐르도록 환경이 형성되는 것과 정확히 대칭적으로, 음의 질량 물체의 주변에서는 시간이 역방향으로 흐르도록 환경이 형성된다.
이 귀결을 어떻게 받아들일 것인가. 기존 물리학은 시간의 방향을 고정된 법칙으로 취급한다. 엔트로피 증가의 방향, 우주의 팽창 방향, 인과의 방향이 모두 같은 방향으로 달린다. 이 고정성이 물리학의 전제였다. 하지만 질량이 시간의 근원이고 질량이 부호를 가질 수 있다면, 시간의 방향 자체가 질량 분포의 함수가 된다. 시간의 방향은 주어진 것이 아니라 만들어진 것이다.
질량이 시간을 만들고 음의 질량이 음의 시간을 만든다면, 두 종류의 영역이 존재할 수 있다. 우리 인류는 양의 시간 층에 있다. 시간이 순방향으로 흐르는 세계. 우리가 살고 있는 세계. 그리고 음의 시간 층이 있다. 시간이 역방향으로 흐르는 세계. 우리가 직접 알 수 없는 세계.
각도 2. 엔트로피 역전의 물리적 메커니즘
엔트로피의 방향은 시간의 방향이다. 이것이 현재 물리학이 시간의 화살을 정의하는 유일한 방식이다. 에너지가 퍼지고 질서가 무질서로 간다. 이 방향이 시간의 흐름이다. 현재의 물리학은 이 이상 시간의 화살을 설명하지 못한다.
질량이 시간을 만들고, 질량의 부호가 시간의 부호를 결정한다면, 질량의 부호가 엔트로피의 방향을 결정한다. 양의 질량 영역에서는 엔트로피가 증가한다. 시간이 순방향으로 흐르기 때문이다. 음의 질량 영역에서는 엔트로피가 감소한다. 시간이 역방향으로 흐르기 때문이다.
이는 엔트로피 역전의 물리적 메커니즘이다. 지금까지 엔트로피 증가는 피할 수 없는 법칙으로 취급되어 왔다. 냉장고가 내부 엔트로피를 감소시키지만 외부 환경의 엔트로피는 더 많이 증가시킨다. 생명체가 자기 몸의 엔트로피를 감소시키지만 전체 시스템에서는 엔트로피가 증가한다. 국소적 감소는 가능하지만 근본적 역전은 불가능하다는 것이 현재의 합의였다.
음의 질량이 존재한다면 이 합의가 무너진다. 음의 질량 영역은 국소적이 아니라 근본적으로 엔트로피가 역방향으로 진행하는 영역이다. 그 영역에서는 무질서가 질서로 되돌아가고, 퍼진 에너지가 다시 모이고, 늙은 세포가 다시 젊어진다.
파킨슨 에세이에서 나는 엔트로피 앞에서 멈췄다. 메커니즘 없이 방향만 제시하고 끝냈다. 이 각도가 그 빈 자리를 채운다. 엔트로피를 깨는 물리적 메커니즘의 후보가 바로 음의 질량이다.
각도 3. 음의 질량 세계의 대칭적 층 구조
기존 가설은 시공간이 층 구조라고 주장했다. 일상에서 우리가 경험하는 것은 표면층이다. 그 아래에 숨겨진 층들이 있고, 시공간 돌파 속도가 극단이 될 때만 드러난다. 블랙홀 내부가 특이점이 아니라 여러 층이 중첩된 구조인 것도, 양자 얽힘 상태의 두 입자가 표면층에서는 멀지만 숨겨진 층에서는 같은 점에 있는 것도 이 층 구조의 결과였다.
음의 질량이 존재하고 음의 시간을 만든다면, 대칭성은 음의 질량 세계도 같은 구조를 가진다는 것을 시사한다. 우리 세계가 표면층과 숨겨진 층들을 가진다면, 음의 질량 세계도 표면층과 숨겨진 층들을 가진다. 음의 시공간 돌파 속도의 크기가 충분히 커지면, 음의 질량이 충분히 큰 값을 가지면, 그 세계의 숨겨진 층이 드러난다. 우리 세계에서 일어나는 것과 같은 구조가 대칭적으로 발생한다.
이것이 맞다면 우주는 하나의 층 구조가 아니라 두 개의 거울상 층 구조다. 양의 질량과 순방향 시간을 가진 층 구조. 음의 질량과 역방향 시간을 가진 층 구조. 각각 자기 표면과 자기 깊이를 가진다. 두 구조는 서로의 거울상이되, 직접 맞닿아 있지 않다.
각도 4. 질량 공식의 재측정
한 가지를 분명히 해둬야 한다.
우리가 질량이라고 부르는 것, 그리고 그것을 기술하는 모든 공식은 양의 질량의 관측에서 유도되었다. Newton의 F=ma는 양의 질량을 가진 물체에 힘을 가해 가속도를 측정한 결과의 정식화다. Einstein의 E=mc²은 양의 질량과 에너지 사이의 등가를 말한다. 일반상대성의 장 방정식도 양의 질량이 만드는 시공간 곡률에 대한 기술이다. 힉스 메커니즘도 양의 질량이 어떻게 발생하는지에 대한 이론이다. 이 공식들이 역사적으로 검증된 것은 전부 양의 질량 체계 안에서였다. Galileo의 낙체 실험도, Cavendish의 중력 측정도, Eddington의 일식 관측도, LIGO의 중력파 측정도 전부 양의 질량이 관여한 사건이었다.
음의 질량이 나타난다면, 질량에 대한 모든 공식은 음의 질량으로서 다시 측정되어야 한다. 현재의 모든 질량 공식은 양의 질량으로 측정된 것이기 때문이다.
여기서 흔한 반박이 있다. 공식에 음수를 대입하면 되지 않는가. F=ma에 m에 음수를 넣으면 힘과 가속도의 방향이 반대가 된다. Bondi가 1957년에 이 계산을 했고, runaway motion이 나왔다. 수학적으로는 부호가 다뤄진다.
하지만 이 반박은 핵심을 비껴간다. 공식의 수학적 형태에 음수를 대입하는 것과, 그 공식의 형태 자체가 음의 질량의 경우에도 유효한지는 다른 문제다. 공식의 형태는 측정의 산물이다. 측정이 전부 양의 질량 체계에서 이루어졌다면, 공식의 형태 자체가 그 체계의 특수한 결과물일 수 있다. 음의 질량의 경우에는 공식의 형태가 다를 수 있다.
이것은 추측이 아니라 구조적 요청이다. 양의 질량과 음의 질량이 물리적으로 서로 다른 체계라면, 각 체계의 법칙은 독립적으로 측정되고 정식화되어야 한다. 한쪽 체계의 법칙을 다른 쪽 체계로 부호만 바꿔 확장하는 것은 두 체계가 본질적으로 같다는 가정을 전제한다. 이 가정은 검증되지 않았다.
Part 3 — 도달한 자리
음의 질량이 엔트로피 역전의 메커니즘이라면, 노화를 멈추는 문제와 시간의 흐름을 뒤집는 문제와 파킨슨의 진행을 멈추는 문제는 같은 곳에서 답을 찾는다. 세 문제는 하나의 얼굴이다.
알츠하이머에서 베타-아밀로이드와 타우가 누적되는 것. 파킨슨에서 알파-시누클레인이 루이 소체로 응집하는 것. ALS에서 TDP-43이 잘못 접히는 것. 헌팅턴병에서 헌팅틴 단백질이 가닥을 만드는 것. 이 모두가 단백질의 국소적 엔트로피 증가다. 그리고 노화 그 자체. DNA 손상이 쌓이고, 미토콘드리아가 낡고, 세포 청소 시스템이 느려지고, 콜라겐이 변성된다. 모두 국소적 엔트로피 증가다.
현재의 의학적 접근은 각 질환의 표면 메커니즘을 다룬다. 베타-아밀로이드를 제거하는 항체를 만든다. 알파-시누클레인을 청소하는 면역요법을 개발한다. 도파민을 공급하고, 콜린에스테라제를 억제하고, 노화된 세포를 선택적으로 제거한다. 이 접근들은 전부 엔트로피 증가의 결과물을 치우는 작업이다. 증가 자체를 뒤집지는 못한다. 엔트로피라는 벽 아래에서 일어나는 일이다.
음의 질량이 제어 가능한 자원이 된다면, 이 전체 그림이 바뀐다. 세포 단위에서, 분자 단위에서, 국소적으로 시간을 역방향으로 흘려보낼 수 있다면, 닳음이라는 문제 범주 자체가 해체된다. 청소할 필요가 없다. 진행을 되돌리면 된다. 알파-시누클레인이 응집되기 전으로, 뉴런이 죽기 전으로, 세포가 노화되기 전으로.
이것이 공상이 아닌 이유는 이 가설의 내부 논리가 그 방향을 가리키기 때문이다. 질량이 시간을 만들고, 음의 질량이 음의 시간을 만들고, 그렇게 엔트로피가 부호를 가질 수 있다면, 국소적 엔트로피 역전은 이론적으로 금지되지 않는다. 아직 기술적으로 불가능할 뿐이다. 불가능과 금지는 다르다.
엔트로피를 부수고 싶어하며 도달한 자리가 이곳이다.
Part 4 — 남은 것
진짜 중력적 음의 질량은 아직 관측되지 않았다. 이 가설의 검증은 미래의 몫이다. 유효 음의 질량이 실험실에서 재현되고 있다는 사실이 출발점이 될 수는 있다. 그러나 유효 질량과 진짜 중력 질량 사이의 거리는 크다. 그 거리를 어떻게 좁힐지는 실험 물리학의 과제로 남는다.
음의 질량 세계의 숨겨진 층이 어떻게 드러나는지, 음의 질량의 공식이 어떤 형태를 가지는지. 이 에세이는 답하지 않는다. 질문을 놓아둔다.
이 에세이는 방향을 제시한다. 엔트로피가 시간의 방향이고, 시간이 질량의 산물이고, 질량이 부호를 가질 수 있다면, 엔트로피는 뒤집힐 수 있는 양이다. 언제 뒤집힐 것인가, 어떻게 뒤집힐 것인가, 누가 뒤집을 것인가는 다음 세대의 문제다.
엔트로피는 인류의 현재 한계이지만 영원한 한계가 아닐 것이다.
참고문헌
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