아인슈타인의 냉장고

아인슈타인의 냉장고 - 뜨거운 것과 차가운 것의 차이로 우주를 설명하다
폴 센 지음, 박병철 옮김 / 매일경제신문사 / 2021년 9월

요즘에 역학, 열역학, 광학, 전자기학, 유체역학, 원자물리학, 상대성이론, 양자역학에 대해서 다시 책을 봤다.

책을 읽으면 더 알고 싶은 부분이 있어서 이 책을 또 읽었다.

저자 폴 센은 과학 저널리스트이자 과학TV프로그램 제작자이다.

케임브리지대학교에서 공학을 배울 때 열역학을 처음 접하고 그 매력에 빠졌다.

과학을 대중화하겠다는 꿈을 안고 방송국에 입사해 다큐멘터리 제작자가 되었다.

이 세상의 엔트로피는 항상 최대치에 도달하려는 경향이 있다.

윌리엄 톰슨은 우주의 종말을 예측하고 온도의 단위 중 하나인 절대온도를 발견했다.

사람들은 열역학과 관련된 것보다 절대온도를 더 기억한다.

그의 이름이 절대 온도의 단위로 통용되고 있다.

온도를 측정할 때 수은 온도계를 사용한다.

수은은 온도가 높을수록 부피가 커지기 때문에 가느다란 유리관 속에 채워 넣은 수은주의 높이를 읽으면 온도를 알 수 있다.

톰슨은 물질이 가열되거나 냉각될 때 팽창하거나 줄어드는 성질에 의존하지 않고 온도를 측정하는 방법을 생각했다.

온도의 절대적 단위를 정하고 싶었다.

톰슨은 카르노의 증기기관을 이상적인 온도계로 간주했다.

우주에는 어떤 물체도 빛보다 빠를 수 없다는 특수 상대성 이론이 있다.

톰슨은 온도에서도 더 이상 내려갈 수 없는 한계를 발견했다.

절대온도의 개념은 과학자들을 괴롭힌 문제이다.

기체의 부피와 온도의 상관관계에 관한 문제까지 해결해주었다.

풍선에 공기를 팽팽하게 불어 넣고 일정한 기압하에서 온도를 낮추면 공기의 부피가 줄어들면서 풍선이 쭈글쭈글해지는데 이현상은 온도가 낮을수록 빠르게 진행한다.

엔진이 열을 전혀 낭비하지 않은 온도가 존재한다는 것이다.

톰슨은 저온의 한계인 정대0도를 -273℃로 정하고 1도의 눈금 간격을 기존의 섭씨온도와 동일하게 매겼다.

1954년 파리 인근의 세브르에서 개최된 제 10회 국제도량총회에서 과학자들은 절대온도의 단위에 톰슨의 이름을 붙이기로 했다.

톰슨이 생전에 작위를 받아 켈빈 경으로 알려져 있어서 절대온도의 단위는 켈빈으로 결정되었다.

톰슨 덕분에 과학자들은 물체의 온도를 질량처럼 근본적 특성으로 간주할 수 있게 되었다.

계란 프라이건, 금이건, 공기이건, 모든 물체의 무게가 구성 성분에 상관없이 킬로그램으로 표시되는 것처럼 모든 온도는 재질에 상관없이 절대 온도로 표현된다.

온도의 거동과 영향도 물체의 구성 성분에 신경 쓰지 않고 수학방정식으로 다룰 수 있게 된 것이다.

요즘 과학자들은 내부 구조를 전혀 모르는 블랙홀의 온도까지 연구하고 있다.

클라우지우스는 1850년대에 베를린과 취리히에 머물면서 열의 분산 원리를 추적하던 끝에 물리학에서 에너지에 견줄 정도로 중요한 개념인 엔트로피를 떠올렸다.

엔트로피란 열이 스스로 재분배되는 성질을  수학적 양으로 표현한 것이다.

클라우지우스는 열이 퍼져나간 정도를 나타내는 척도가 엔트로피라고 했다.

초기에는 대부분의 열이 몇 개의 방에 집중되어 있었다.

열은 아직 퍼지지 않은 상태이며 각 방의 온도는 천차만별이다.

클라우지우스는 이런 상태의 엔트로피를 작은 값으로 정의했다.

엔트로피는 열이 퍼진 정도를 나타내는 양이다.

클라우지우스는 엔트로피는 열이 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다는 법칙을 수학적으로 표현했다.

외부와 차단된 고립계의 엔트로피는 항상 증가한다.

수학 표기법을 사용하면 △S ≥0으로 쓸 수 있다.

생긴 모양은 아주 단순하지만 모든 과학을 통틀어 가장 중요한 방정식이다.

△는 그리스 알파벳 네 번째 문자로 변화량을 의미하고 S는 엔트로피를 나타내는 기호이다.

뜨거운 곳에서 흘러나온 열이 도중에 조금도 새지 않고 차가운 곳으로 흘러 들어가는데 엔트로피의 증감은 다르게 나타난다.

따뜻한 방에서 열이 흘러나갈 때 엔트로피의 감소량은 차가운 방에 열이 유입되었을 때 엔트로피의 증가량보다 작다.

물리계의 엔트로피는 항상 증가하며 엔트로피가 증가한다는 것은 열이 더욱 넓게 퍼진다는 것이다.

클라우지우스는 방정식을 통해 엔트로피의 거동을 설명했지만 엔트로피가 증가하는 속도에 대해서는 언급을 하지 않았다.

단열된 방에서 문을 닫아놓으면 엔트로피의 변화 속도를 크게 늦출 수 있다.

증기기관을 낮은 엔트로피를 활용하는 기계로 간주할 수 있다.

여러 개의 방이 있는 집에서 열려 있는 문들을 증기기관으로 대치시켜 본다.

따뜻한 방에서 흘러나온 열은 증기기관을 거쳐 차가운 방으로 이동한다.

각 엔진들은 약간의 열을 취하여 일을 하고 나머지 열은 그냥 버려진다.

시간이 어느 정도 흐르면 모든 방들을 온도가 같아지고 모든 엔진이 작동을 멈추면서 집 전체의 엔트로피는 최대치에 도달하며 집 안에 존재하는 열은 아무런 일도 할 수 없게 된다.

엔트로피가 증가한다는 것은 열의 이용 가치가 감소한다는 것이다.

모든 생명 활동이 원리에 따라 진행된다.

식물은 태양 에너지를 분산시키고 동물은 음식에 담긴 칼로리를 분산시키면 생명을 이어가고 있다.

클라우지우스는 자신이 주장했던 열역학의 두 법칙으로 되돌아와서 힘이라는 단어를 에너지로 바꾸고 자신이 명명한 엔트로피를 추가하여 수정했다.

우주의 총에너지는 변하지 않는다.

우주의 엔트로피는 최대치를 향하여 증가하려는 경향이 있다.

여기서 말하는 우주란 외부와 고립된 임의의 물리계이다.

그러나 우리의 우주 바깥에는 아무것도 없으므로 우주의  총에너지를 변하지 않고 엔트로피는 증가한다는 것은 분명한 사실이다.

외부로부터 고립된 물리계의 엔트로피는 항상 증가하려는 경향이 있다.

열역학은 첨단 물리학뿐만 아니라 원자와 세포부터 블랙홀에 이르기까지 우주 만물의 거동을 이해하는 데 중요한 실마리를 제공한다.

톰슨은 대학교 학부생 시절부터 지질학에 관심이 많아서 지질학의 미스터리를 물리학으로 해결하는 상황을 떠올렸다.

당시에는 학문 사이의 구별이 지금처럼 뚜렷하지 않았다.

톰슨은 신앙이 깊은 사람이었지만 성서를 곧이곧이대로 해석하여 지구의 나이가 6000년이라고 주장하는 기독교인들을 별로 신뢰하지 않았다.

광산의 갱도와 터널에서 온도를 측정해보면 지구는 깊이 파고 들어갈수록 뜨거워진다.

톰슨은 포브스의 관측 데이터와 열전도 현상 그리고 바위의 융점을 수학 논리로 연결하여 지구의 생성 연대를 2000만~4억 년 전으로 추정했다.

진화를 하기에는 턱없이 짧은 시간이다.

그는 지구의 역사가 이보다 훨씬 길다 해도 과거에는 생명체가 살 수 없을 정도로 뜨거웠으며 2000만 년 전까지만 해도 지구의 온도가 너무 높아서 모든 바위가 액체 상태로 존재했을 거라고 하는데 난 안 믿는다.

진화가 진행되려면 지구의 환경이 아득한 옛날부터 지금과 비슷해야 하는데 열역학 법칙에 의하면 이것은 도저히 불가능하다.

다윈의 진화 생성 기간이 틀렸다는 것이다.

수학은 기호가 아니라 언어다.

볼츠만은 통계를 이용하여 열역학 제2법칙(엔트로피 증가 법칙)을 설명하는 것을 인생의 목표로 삼았다.

열역학 제2법칙이 성립하는 것은 엔트로피가 항상 증가하는 것은, 운동이론으로부터 직접 유도되는 결과이다.

속도가 빠른 입자는 느린 입자보다 운동 에너지가 크다.

한 입자의 운동 에너지는 그 입자가 정지 상태에서 출발하여 지금과 같은 속도로 움직이도록 만들기 위해 투입되어야 할 에너지에 해당한다.

그 입자에 제동을 걸어서 정지 상태로 만들기 위해 필요한 에너지이다.

운동 에너지는 물체가 무거울수록 속도가 빠를수록 크다.

운동 에너지는 충돌을 분석할 때 매우 유용한 개념이다.

볼츠만은 계산량을 크게 줄였을 뿐만 아니라 분자의 에너지 전달 과정을 현실적으로 서술할 수 있었으며 분자의 거동을 의외로 쉽게 시각화할 수 있었다.

특정 온도의 기체에서 속도가 평균보다 느리거나 빠른 입자가 존재하는 것과 같은 상황이다.

입자의 수가 너무 많아서 모든 충돌을 일일이 추적할 수는 없지만 시간의 흐름에 따른 동전 분포의 변화 추세는 대략적으로 예측할 수 있다.

소수의 분자들이 에너지를 독점하는 경우의 수보다 여러 개의 분자들이 에너지를 골고루 나눠  갖는 경우의 수가 압도적으로 많다.

확률적으로 드문 배열에서 출발한 물리계는 시간이 흐를수록 일상적인 배열에 가까워진다.

분자들 사이에 무작위 충돌이 여러 번 일어나면 열이 골고루 퍼진 배열에 대한 경우의 수가 열이 한곳에 집중된 배열에 대한 경우의 수보다 압도적으로 많기 때문에 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르는 것이다.

볼츠만은 모든 논리를 종합하여 엔트로피를 세롭게 정의했다.

엔트로피란 물리계의 구성 성분들이 겉으로 구별되지 않는 배열을 이루는 경우의 수를 의미한다.

엔트로피가 증가한다는 것은 주어진 물리계의 배열이 확률이 높은 쪽으로 변해간다는 것이다.

열역한 제2법칙이 성립하는 이유는 순서대로 배열된 카드 한 벌을 섞었을 때 순서가 뒤죽박죽되는 이유와 같다.

가능한 배열의 수에 기초한 엔트로피 개념은 열이 퍼지는 현상을 넘어 자연에서 일어나는 모든 비가역적 현상에 적용될 수 있다.

엔트로피는 감소할 수도 있지만 감소할 확률이 지극히 낮기 때문에 시간이 흐를수록 증가한다고 해도 무방하다.

시간이 흐르는 방향이란 엔트로피가 증가하는 방향이다.

우리가 과거와 미래를 구별할 수 있는 이유는 미래의 엔트로피가 과거보다 더 크기 때문이다.

볼츠만의 접근법은 물질의 구조나 분자에 연연하지 않고 열역학 법칙의 결과에 주목한 것이다.

기브스는 훨씬 포괄적인 관점에서 고체의 융해와 액체의 비등에서 각종 화학변화에 이르는 모든 현상들이 열역학 법칙을 만족한다.

엔트로피는 임의의 물질을 통해 열이 퍼지는 정도이다.

임의의 물질은 물이다.

냉각기에서 열이 방출되면 기체 상태의 냉매가 다시 액체로 돌아가는 상전이가 일어난다.

저자는 재미있게 책을 쓴 것 같다.