우주의 속성인 열역학 제2법칙은 왜 성립할까?

공기 분자들의 질량이 서로 달라서 무거운 분자가 모두 아래쪽에 몰려야 하는데 왜 공기 조성비는 일정하게 유지될까? 열역학 제2법칙에 따라서 그런 현상이 일어난다고 궁여지책으로 설명할 수 있는데, 그렇다면 열역학 제2법칙은 왜 성립할까?

우리가 보통 공기라고 부르는 것은 무엇일까? 탁구공 속의 한줌의 공기도 공기이고, 태평양 상공의 드넓은 공기도 공기이다. 그러나 그 범위가 작든 크든 그 속에는 무수한 분자들을 포함하고 있는데, 분자를 구성하는 것은 원자이고,원자는 질량을 가지고 있다. 그런데 여기서 우리는 질량차이가 힘의 차이가 되고, 질량차이가 에너지의 차이가 되며, 질량차이가 위치의 차이로 나타나서 무거운 질량일수록 중력중심인 지표면 쪽으로 몰려야 할 것처럼 생각한다. 이는 우리의 사고가 부지불식간에 중력질량을 생각하기 때문이다. 하지만 상대성이론에 의하면 무게라는 질량은 에너지로 대치되며 중력질량은 가상의 힘인 관성질량이 된다. 바꾸어 말하면 지표상에서 분자들의 운동은 질량과 무관한게 그 에너지로 배열된다고 할 수 있다. 따라서 공기 속 분자들의 일정한 조성비는 질량만으로 또는 에너지만으로도 설명이 안 되고, 질량과 에너지와 분자들의 운동량 상호관계로 설명되어져야 하는데 이것이 바로 양자역학이다.

양자역학의 핵심은 원자의 성질이다. 원자의 성질을 다시 정리하면 원자는 가까이 가면 멀어지려하고, 멀어지면 가까워지려 한다. 즉, 원자들은 항상 일정거리를 유지하려 하기 때문에 원자들 간 격리된 거리는 다시 동일하게 된다는 뜻이다.

그렇다면 양자역학의 관점으로 자동차의 타이어를 생각해 보자. 타이어 안에 들어있는 공기분자들의 거리는 똑같을까 아니면 무질서할까? 분자를 구성하는 것은 원자이고, 원자들끼리는 가까우면 멀어지고 멀어지면 가까워지려는 성질이 있기 때문에 당연히 타이어 안의 공기 분자들은 똑 같은 거리를 유지한다고 봐야 한다. 그럼 이번에는 높이가 100미터 이상 되는 아주 어마어마하게 큰 타이어를 공기압을 꽉 채우고 세우게 되면 공기내의 분자들이 중력의 영향을 받아서 무거운 분자들은 아래쪽으로 내려오고, 가벼운 분자들은 위쪽으로 올라가 타이어가 오뚝이처럼 서는 현상이 벌어져야 한다. 그런데 타이어는 오뚝이처럼 서지 않고 쓰러진다. 그 이유는 공기의 분자들은 뉴턴의 운동방정식을 따르지 않고 양자법칙을 따르기 때문이다.

열역학 법칙은 우주의 에너지가 항상 일정하다는 제1법칙과 우주의 엔트로피는 항상 증가한다는 제2법칙으로 구성된다. 그리고 언젠가는 열평형상태에 도달한다는 열역학 제0법칙이 나중에 추가 되었다.

그 중에서도 일명 엔트로피 법칙이라고 불리는 열역학 제2법칙은 우주는 계속해서 무질서도를 높이려는 속성을 지니고 있다고 보는 학설이다. 이러한 열역한 제2법칙을 보다 가시적으로 이해하기 위해 실 펑크가 난 타이어를 생각해보자. 실 펑크가 난 타이어는 시간이 지날수록 공기분자들이 밖으로 빠져나가면서 타이어의 모양이 찌그러진다. 한 번 빠져나간 공기 분자들은 다시 타이어 안으로 들어와 타이어를 팽창시킬 수 없다. 이런 것을 비가역성이라고 한다. 팽팽한 타이어는 무질서의 증가 상태이다. 이런 현상이 열역학 제2법칙이 말하는 우주의 무질서도의 증가 현상. 즉, 엔트로피 증가현상이다.

그렇다면 열역학 제2법칙은 왜 성립할까? 그 해답은 법칙의 속성 자체에 있다. 즉, 열역학 제2법칙은 우주가 고립된 닫힌 공간이라고 가정할 때, 자발적 과정의 방향성을 나타내는 자연계 최고의 법칙으로 간주되는데, 우주 안에서 일어나는 모든 현상을 자발적 과정으로 본다. 열은 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동하는 것, 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것 등은 모두 자발적 과정이다. 그러나 우리가 냉동기를 이용하여 열을 낮은 온도에서 높은 온도로 이동시키는 것이나 펌프를 이용하여 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 퍼올리는 것은 비자발적 과정이다. 어찌 생각하면 인위적인 역작용, 즉 비자발적 과정이 가능하다는 것은 우주의 모든 질서가 반드시 자발적인 것만은 아닌 것처럼 보이지만, 더 크게 생각하면 인간의 노력이나 과정도 모두 우주라는 자연계 안에서 일어나는 일이므로 이러한 인간의 행위를 포함하여 자연계에서 일어나는 모든 일은 자발적 과정으로 본다. 그리고 이런 모든 자발적 과정은 무질서도를 높이려는 우주의 속성 때문에 일어나는 것으로 본다. 그런데 열역학 제1,2법칙은 모두 닫힌 우주라는 단서를 달고 있다. 만일 어딘가에 우주의 끝이 있다면, 우주는 고립계가 되므로 열역학 제2법칙은 항상 성립된다. 하지만 팽창하는 우주나 가속 팽창하는 우주는 열린 우주가 되므로 열역학 제2법칙이 항상 엄격하게 성립되지는 않는다. 이에 따라, 에너지가 항상 일정하다는 에너지보존법칙인 제1법칙도 우주가 닫힌 고립계가 아닌 열린 우주 개념이 옳다면 이에 맞도록 수정되어야 함이 바람직할 것이다.

아직까지는 인간의 과학이 우주가 열린 우주인지 닫힌 우주인지 명확하게 규명하지 못했다. 따라서 열역학 제2법칙의 성립 여부는 계를 두 개의 계로 나누어 생각해보는 것도 타당할 것이다. 이렇게 나눠지는 두 개의 계에 이름을 붙인다면 팽창하는 계와 수축하는 계로 이름붙일 수 있다. 빅뱅으로 조성된 열로 인해 한쪽 계가 팽창하고 있다면 상보작용에 의해 다른 한쪽 계는 수축하는 현상이 일어날 것이다. 그런데 인가의 과학이 관측하는 초점은 팽창하는 우주에만 관심을 두고 있기 때문에 우주는 엔트로피가 증가하는 것으로 보고 있는 것이다.

열역학 제2법칙은 자연계가 360도 범위 안에서 작동한다는 가정아래 무질서도가 계속 증가한다는 버칙이다. 인류는 360도라는 우물 안에 갇혀 있다. 우주를 720도, 1440도의 범위로 바라보면 질서와 무질서가 균형을 이룬다는 것을 알 수 있을 것이다.