엔트로피로 본 우주의 시작과 끝.

엔드 오브 타임 - 브라이언 그린이 말하는 세상의 시작과 진화, 그리고 끝
브라이언 그린 지음, 박병철 옮김 / 와이즈베리 / 2021년 2월

 나는 수학과 과학이 잘 안되어 문과를 선택하고 대학도 그렇게 진학한 전형적인 문과생이다. 그런 내가 과학에 대해 관심을 갖게 된 것은 두 사람 때문이다. 한 사람은 장대익 교수이고 다른 한 사람은 브라이언 그린이다. 장대익 교수의 '다윈의 서재'를 보며 진화론에 관심을 갖게 되었고, 브라이언 그린의 '멀티 유니버스'를 보며 우주론에 관심을 갖게 되었다. 사실 문과생으로 철학과 사회과학, 인류사 등을 좋아하게 된 것도 그것들이 인간과 세상에 대한 진리를 말해주기 때문이라 믿었기 때문인데 놀랍게도 진화론과 우주론은 역시 당연히 같은 역할을 하고 있었고 보다 진리에 다가가고 있었다. 같은 이유로 하나 더 좋아하게 된 분야는 지리학인데 이 지구의 땅덩어리가 만들어낸 지형적 제약과 지정학, 기후 등으로 한 지역의 운명이 상당히 좌우되는게 무척 근원적인 설명으로 느껴졌기 때문이다.

 최근 유발 하라리가 사피엔스를 낸 후 부쩍 세계 여러 지성들에 의한 인류사 책이 많아 지고 있음을 느낀다. 아무래도 하라리가 자신만의 식견을 조금 보태 인류의 발전사를 설명한 것이 자극이 된듯 하다. 그래서 우주를 연구하는 물리학자인 브라이언 그린도 자신의 전공을 발판삼아 인류사를 아니 더 크게 우주사를 설명한다.

 제목은 거창하게 엔드 오브 타임, 즉 시간의 끝으로 인류의 발전사를 아득히 넘어선 느낌이 든다. 하여튼 브라이언 그린이 책에서 주요 우주사의 흐름에 대한 중심개념으로 잡은 것은 열역한 2법칙이다. 잘 알려진 엔트로피다. 이유는 정확히 알수 없지만 빅뱅 이래로 모든 우주의 만물은 무질서상태로 소모, 퇴화, 쇠퇴한다. 어찌보면 빅뱅 이전은 매우 좁은 범위에 고도의 물질과 에너지가 뭉쳐있는 상당한 질서상태였고, 빅뱅이후는 이것이 완전히 무너져 무한한 우주공간을 이 물질과 에너지로 균일하게 채워나가는 상황 같기도 하다. 잘 뭉친 먹한 방울이 거대한 종이에 떨어지고 균일하게 번져나가며 점점 흩어지고 희미해져 아예 색을 잃어나가는 과정 같다. 실제로 우리가 체험하는 자연상태도 열역학2법칙을 따르기에 빅뱅 이후 엔트로피를 높여가며 물질과 에너지가 퍼져나가는 것은 당연히 자연스럽게 느껴진다. 하지만 아직 과학은 왜 우주에 열역학 2법칙이 작용하는지 설명하진 못한다. 왜가 아닌 어떻게만 아는 상황인 것이다. 

 하여튼 브라이언 그린은 엔트로피를 좀 다르게 본다. 엔트로피는 무질서로 정의되는 편인데 브라이언 그린은 여기에 통계를 들이댄다. 엄청나게 많은 구슬이 바닥에 무질서하게 흩어져 있다. 구슬 한개한개의 위치를 바꾸면 이는 분명 바뀐 것이지만 실제로 변화는 거의 감지되지 않는다. 하지만 구슬은 열과 행을 맞추어 같은 간격으로 질서정연히 있는 상태라면 하나를 다른곳으로 바꾸면 큰 변화가 감지된다. 때문에 브라이언 그린은 엔트로피는 그룹의 크기, 즉 구별되지 않는 멤버의 수와 같다고 말한다. 무질서한 구슬 그룹은 한 두개를 바꾸어도 크게 구별이 안되지만 질서있는 구슬 그룹은 바꿀수 있는 경우가 무척이나 많다. 그래서 무질서한 쪽은 엔트로피가 낮고, 질서가 있는 쪽은 엔트로피가 높다. 

 그리고 이 엔트로피는 우리의 시간관념과도 일치한다. 물리학자들의 연구에 의하면 시간은 비가역적이지 않다. 그들이 연구한 어떤 방정식에 의해서도 시간은 한방향으로 흐르지 않으며 반대로 흐르는 것이 충분히 가능하다. 하지만 시간은 실제 비가역적이다. 이는 엔트로피 때문인데 빅뱅이후 시간과 공간이 생겨나며 엔트로피가 낮은 방향으로 가고 있다. 양자역학에 의해 물질과 에너지는 엔트로피가 높은 방향으로 흐를수도 있다. 하지만 이는 대단히 희박한 확률이며 무한한 시간속에서 일어날수도 있지만 거의 일어날수 없다. 때문에 시간이 갈수록 우리는 엔트로피가 한 방향으로 흐르는 것을 보게되며 이로인해 시간은 비가역적으로 느껴지게 된다. 완벽하게 설계된 미적인 건축물이 오랜 세월이지나 방치되면 파괴되어 흙으로 돌아갈뿐이지 다시 성이 되진 않기 때문이다. 결국 우리는 시간의 흐름을 느끼기보다는 엔트로피의 차이를 느끼며 살아간다는 것이 정확한 표현일 것이다.

 엔트로피는 압력과 온도, 공간과 관련한다. 같은 수의 분자가 좁은 영역에 빽빽히 모이면 엔트로피는 낮다. 반대로 넓은 영역에 퍼져있다면 엔트로피는 높다. 온도가 높아지면 분자의 운동이 빨라져 분자속도가 높아지므로 엔트로피가 높고, 낮은 온도에선 분자의 운동이 느려 엔트로피가 낮다. 압력은 분자수와 관계하는데 분자수가 적으면 압력은 낮고 엔트로피가 낮다. 하지만 분자수가 많으면 압력은 높아지고 엔트로피는 높아진다. 즉, 정리하면 분자수가 적고, 온도가 낮으며, 점유공간의 부피가 적으면 엔트로피는 낮다. 반면 분자수가 많고, 온도가 높으며, 점유공간의 부피가 크다면 엔트로피는 높다. 그리고 엔트로피는 낮은 상태에서 높은 상태로 변화해나가며 그러기 위해 흐른다. 엔트로피는 흐름으로 결국 이동이 필요한데 그 이동방법이 바로 열의 흐름이다. 열을 흡수한다는 것은 에너지를 흡수하는 것이고 이는 분자수의 운동속도를 증가시켜 결국 엔트로피를 증가시킨다.

 이처럼 엔트로피는 빅뱅이후부터 낮은 곳에서 높은 곳으로 흐른다. 하지만 꼭 그렇지만은 않다는 증거가 있다. 밤하늘의 무수한 별들과 그것을 보고 사고를 하는 인간 같은 생물들이다. 이들은 고도의 질서를 가진 존재로 엔트로피가 매우 낮은 존재다. 엔트로피가 높게만 흘러가는 우주에서 어떻게 이런 존재들이 생겨나는 것이 가능한 것일까? 그리고 이것은 열역학 제2법칙을 위배하는 것이 아닌가? 브라이언 그린은 아니라고 답한다. 엔트로피는 국소적으로는 감소할 수 있지만 이것이 전체적으로 더 큰 증가를 불어온다면 이것은 열역학 제2법칙에 위배가 아니라는 것이다. 실제로 질서를 만들어내는 이런 지역은 주변 환경에 엔트로프를 증가시키는 열과 폐기물을 꾸준히 만들어내어 오히려 전체적으로는 엔트로피 총량을 증가시킨다. 우리 같은 생물체만 봐도 그렇다. 생물은 고도의 질서를 유지하면서도 열과 폐기물을 꾸준하게 방출하여 주변의 엔트로피를 증가시킨다. 때문에 엔트로피가 국소적으로 높은 지역은 오히려 우주 전체를 고엔트로피로 이끌고 가는 촉매작용을 한다. 

 국소적으로 엔트로피를 낮추면서 항성과 행성 그리고 생명이 생겨난 이유를 살피려면 빅뱅으로 돌아가야 한다. 중력은 대개 당기는 힘이지만 공간에 유주연료라는 특별한 물질이 가득차 있고 이들이 특정지역에 국한되지 않고 고르게 퍼지면 밀어내는 중력이 발생한다. 지름이 무려 1/10억*10억*10억m의 작은 영역에 에너지 장이 형성되고 균일하면 밀어내는 그 힘이 폭발적으로 작용하는데 이것이 빅뱅이다. 빅뱅이전 초기우주는 극도로 혼란하고 역동적이어서 균일하기가 매우 힘들었는데 오랜 기다림속에서 언젠간 발생할 이 극히 적은 확률의 일은 결국 일어났다. 

 빅뱅직후 1/10억*10억*10억 초 사이에 밀어내는 중력으로 극히 작았던 영역이 지금의 관측 가능한 우주만큼 커졌다. 여전히 인플라톤 장은 극도로 불안했는데 이 인플라톤 장이 터져서 에너지가 입자로 변화하였고 이들이 서로 빠르게 반응하여 오늘날의 양성자, 중성자, 전자를 형성한다. 그리고 인플라톤의 양자요동으로 균일한 우주에서 순간적으로 입자의 밀도차가 발생하는 지역이 발생하였고 여기서 당기는 중력이 발생하여 서로 뭉쳐 더욱 강력한 중력을 행사하게 되었다. 수억년이 지난후 입자들은 충분히 모여 핵반응을 일으키는 상태에 이른다.

 향후 은하를 이룰만큼 충분히 커진 지역에서는 중심부가 수축하여 핵반응으로 강한 열이 차가운 변두리로 뿜어져 나오게 된다. 하지만 열을 흡수한 주변부는 열의 흡수로 공간이 팽창하여 오히려 다 차가워지게 된다. 즉, 중심부의 엔트로피 감소보다 주변부의 엔트로피 증가가 더욱 커 열역학2법칙이 유지되는 것이다. 이 과정에서 중요한 역할을 하는 힘이 중력과 핵력이다. 중력으로 물질과 에너지가 퍼지고 밀도차로 물질과 에너지가 뭉친다. 중력으로 인해 핵력이 발생할 만큼의 상황이 되고 핵력에 의한 핵분열에 의해 수축이 멈추고 균형을 이룬 상태에서 열과 빛이 방출된다. 즉, 엔트로피가 다른 공간으로 이전되게 되는 것이다. 때문에 브라이언 그린은 책에서 중력과 핵력이 우주에 존재하는 모든 구조체의 근원이라 말한다. 

 항생과 행성이 생겨났으니 이젠 생명이 생겨날 차례다. 원자는 에너지가 낮은 위치부터 전자를 배치한다. 여기가 다 차야 다음 위치에 전자를 배치하는데 1층엔 2개, 2층엔 8개, 3층엔 18개인 식이다. 원자는 각 층아 다 차거나 아예 비어야만 안정적인 상태를 유지한다. 그래서 대부분의 원자는 항상 각 층의 전자가 모자라거나 남아 불안한 상태가 되며 이로 인해 서로 전자를 주고 받아 결합하여 분자를 형성한다. 이 과정이 화학반응이다. 

 물분자는 산소원자는 1층엔 2개 2층엔 6개의 전자가 자리하여 2층에 2개가 모자란다. 반면 수소는 1층에 1개만 있다. 산소원자는 수소원자 두 개와 결합하여 전자 2개를 얻으며 수소는 전자 각각 한개씩 잃게 된다. 서로 안정화되는게 이 화학반응의 결과 생겨난게 물이다. 물은 전기적으로는 중성이나 가운데 산소에 양쪽 끝에 수소를 한 개씩 두어 산소쪽은 음극을 수소쪽은 양극을 띠어 각각 다른 전하를 끓어당긴다. 때문에 물질이 물과 닿으면 각각 그 부분으로 전자를 빼앗겨 분해된다. 물이 물질을 녹이고 포획하는 능력을 이 때문이다. 그래서 물은 생명활동에 필수적인 요소가 된다. 

 생명은 주변환경에서 에너지를 흡수하여 질서정연한 구조를 유지하고 저품질의 에너지를 외부로 방출한다. 입자들도 그러한데 불규칙한 입자는 외부에너지를 흡수하면 질서 정연한 배열로 바뀐다. 그리고 향후 유입되는 에너지는 현재의 배열을 유지하거나 질서를 더 높이는데 사용되며, 역시 이 과정에서 저품질의 에너지를 외부로 방출한다. 이를 소산적 적응이라 하는데 이것이 최초 생명체 탄생과 관련한다. 핵력과 중력으로 항성이 에너지를 방출하고 행성의 분자가 이를 받아들여 질서를 형성하여 점점 복잡한 구조를 띠어가기 때문이다. 복잡한 구조의 물질은 어쩌다 RNA를 형성했을 것이고 이 RNA 분자는 복제능력을 갖고 있어 다른 분자들을 제끼고 지구상에 가득하게 된다. RNA분자가 복제되던 중 자외선이나 다른 요인으로 변이가 일어나게 되고 이 변형RNA가 일부 아미노산을 사슬처럼 연결해 최초의 단백질이 형성된 것으로 보인다. 단백질은 촉매작용을 하므로 RNA의 복제효율을 더욱 향상시켰고 더욱 번성한다. 그러다 RNA가 더욱 빈번해지게 되고 2개의 RNA가 엃히는 변이가 일어나 최초의 DNA가 형성된다. DNA는 두 개의 사슬이 견고히 얽혀있어 RNA보다 더욱 안정적이고 효과적인 복제가 가능하다. 그리고 RNA는 지금처럼 복제과정에서 서서히 소외되어 다른 역할을 갖게 된다. 그리고 DNA 분자주머니가 형성되어 세포벽의 작용을 하게되어 복제는 더욱 안정성을 띠게 된다. 이후의 과정은 우리가 아는 진화론에 의지하게 된다. 

 이 부분부터 브라이언 그린은 인간에 대해서 본격적으로 다룬다. 진화론자나 다른 인류학자들이 다룬 것에 비해 크게 차별성은 없지만 몇 가지 독특한 부분이 있었다. 먼저, 자유의지다. 인간은 현실세계를 살아가며 이것이 자신의 생각과 욕망, 그리고 결정이 반영된 행동을 통해서 좌우된다고 생각한다. 하지만 물리학적 입장에서는 고도의 질서를 갖춘 것일뿐 인간 역시 물리법칙의 지배를 받으며 입자의 집합일 뿐이다. 즉, 인간의 자유의지는 물리법칙의 결과일뿐이라는 것이다. 내가 자신이 자유롭다고 느끼는 것은 물리법칙을 바꾸는 것이 아니라 나의 거대한 내부조직이 고도의 질서를 갖춰 나로 하여금 자유롭게 반응을 보일 수 있도록 해방시켰기 때문이라는 것이다. 인간의 변화는 결국 입자의 형태 변화다. 인간 몸의 입자는 매순간마다 특별한 형태로 바뀌는데 내부나 외부에서 특별한 경험을 쌓을때마다 배열상태가 조금씩 달라지며 이것으로 인해 향후의 생각과 행동에 변화가 발생한다. 그리고 이것이 입자의 규모에서 학습이 된다. 애매한 말이지만 결국 정리하면 자유의지란 것은 추상적이고 영혼같은 것이 아니라 철저히 물리법칙의 입각해 입자의 질서형태를 바꾸는 것이고 인간 자신은 고도의 질서를 갖춘 존재로 입자배열을 바꾸어나갈수 있다는 것이다. 그리고 이 입자를 바꿀수 있는 능력을 우리는 자유의지라고 생각한다는게 아닐런지.

 다음으로 재밌는 것은 종교에 대한 생각이다. 브라이언 그린은 종교적 믿음이 생존경쟁에 별로 도움이 되지 않음에도 이토록 광범위하게 퍼진 이유를 집단에 대한 감시기능에서 찾았다. 집단이 커지면서 협동과 규칙준수를 직접적으로 감시하는 것이 어려워졌다. 사람들은 서로에 대해 믿음과 신뢰가 구축될만한 범위가 180명정도인데 소속된 사회의 크기가 이를 아득히 넘어선 것이다. 그리고 여기에 종교가 작용할 여지가 생긴다. 집단의 규율을 위반할 가능성이 높은 사람이 강력한 힘을 가진 존재에 의해 항상 감시받고 있다는 종교의 기능은 많은 사람들의 범법행위를 자제하게 하고 보지 못한 사람을 믿고 협력할수 있게 한다. 종교를 믿는 사람들은 이렇게 범법행위가 줄어들고, 가십에 오르내리를 횟수가 줄며, 집단 추방가능성이 적어지고 이를 통해 번식 가능성이 높아진다. 이런 적응력은 세대를 지나면 강화되었을 가능성이 높다.

 인간의 예술에 대한 견해도 재밌었다. 강한 능력을 선천적으로 갖춘 개체는 생존에 유리하다. 하지만 인간의 경우 이것이 훈련이라는 후천적 노력에 의해 상당 부분 획득이 가능하다. 훈련은 힘든 과정인데 적응력을 높이는 것인 만큼 마땅히 이를 독려하기 위한 즐거움같은 자기강화적 피드백이 생겨났을 가능성이 높다. 스티븐 핑커는 예술이 언젠가부터 이 자기강화적 피드백 회로에서 벗어나서 단지 독립적으로 괘락 중추를 자극하는 행위가 되었을 것으로 주장한다. 이는 예술이 인간의 적응력을 딱히 높이지 못함에도 이렇게 퍼져있는 것을 잘 설명한다. 물론 예술을 짝짓기와 관련되어 설명하는 이론도 있다. 그리고 예술이 혁신적 사고를 촉진하고, 사회적 결속력을 다지는등 적응력에 도움이 되는 부분이 있음을 주장하는 경우도 있다. 모두 맞는 말인 것 같은데 가장 설득력이 있는 것이 없다는게 아쉽다. 

 그렇다면 인간 이후 생명체가 번성한 고도의 질서의 끝은 어떻게 될까. 우주공간의 팽창속도는 점점 빨라지고 있다. 이는 암흑에너지의 척력이 질서를 갖춘 은하단들의 인력보다 강하다는 뜻이다. 만약 밀어내는 힘이 점점 강력해진다면 200억년후면 은하단은 해체되고 10억년후면 은하수의 별이 흩어지며 6천만년후면 행성들이 태양에서 멀이지고, 몇개월후면 밀어내는 중력이 분자단위까지 작용해 별과 행성이 폭발하게 된다. 30분후면 개체를 구성하는 입자조차 분해된다. 사실상 질서를 갖춘 생명체의 끝인 것이다.

 하지만 그럼에도 사고는 남을 수도 있다. 다만 사고체 역시 엔트로피가 낮은 존재이므로 무언가를 생각해내려면 주변에서 에너지를 추출해야하고, 추출한 열은 나중에 방출할 열보다 적거나 최소한 같아야 한다. 즉, 계속 생각하려면 저엔트로피의 에너지가 필요하다. 다만 우주가 팽창하여 에너지와 물질이 넓게 퍼져 매우 희박해서 에너지를 구하기 힘든 경우가 된다면 사고체는 이에 대비하여 사고를 매우 느리게 하여 에너지 효율을 높이거나 겨울잠 같은 휴식을 갖는 형태로 상당히 오랜 기간동안 사고를 지속하는게 가능하다. 다만 이 경우 사고의 속도가 엄청나게 느려지겠지만 우주의 시간 단위에서 이 정도 느림은 충분히 문제가 되지 못한다. 하지만 사고 역시 에너지가 필요하므로 우주가 가속팽창하여 상당히 커지면 결국 엔트로피가 매우 커져 사고체 자체가 유지된다 하더라도 열배출 자체가 불가능해진다. 브라이언 그린은 10의 50승 년정도의 시간이면 사고가 종말 할 것으로 예측한다.