생명이 탄생할 때, 별이 탄생할 때, 모두 무질서도가 감소하는데 왜 그럴까?

탄소 원자와 산소 분자가 결합하면 이산화탄소가 되면서 열이 발생한다. 탄소와 산소의 온도가 함께 올라갔다면 열역학 법칙 중에서 하나를 어긴 것이다. 만약에 이산화탄소가 자신들보다 온도가 낮은 외부로부터 열을 흡수해서 온도가 올라갔다면 제2법칙을 어긴 것이고, 자체적으로 열이 발생했다면 제1법칙을 어긴 것이다. 그리고 소금이나 설탕이 물속에서 농도가 낮을 때는 녹아서 잘 퍼지지만 농도가 올라가면 다시 결정으로 바뀌면서 열역학 제2법칙과 반대로 무질서도가 감소한다. 생명이 탄생할 때, 별이 탄생할 때, 기체가 액체로 바뀔 때, 액체가 고체로 바뀔 때, 핵융합이 이루어질 때에는 모두 열역학 제2법칙과 반대로 무질서도가 감소하는데 왜 그런것일까?

열역학 제2법칙이 항상 성립된다면 우주의 모든 물질은 궁극적으로 같은 온도와 엔트로피를 유지해야 하는데 왜 그렇지 않은 것일까?

먼저 세가지를 알아야 한다. 첫째는 열의 발생 원인과 원리이고, 두 번째는 열역학 제1,2법칙의 내용이고, 세번째는 엔트로피에 대한 개념이다. 먼저 열의 발생 원인과 원리를 알아보면 열이 발생하는 원인을 우리는 거시와 미시 두 가지 관점으로 생각해 볼 수 있다. 우선 거시적 관점으로 열이 발생하는 원인을 알려면 4차원에서 차원이 하나 더 늘어나야 한다. 우주는 빅뱅사건을 겪으면서 열에너지로 인해 5차원이 되었다. 기존의 4차원에서 온도차원이 하나 더 늘어난 것이다. 우주가 등속으로 팽창하지 않고 가속으로 팽창하는 이유도 바로 이 온도차원의 증가, 즉 우주의 팽창에 온도가 개입했기 때문이다. 다음 미시적 관점으로 봤을 때 열이 발생하는 원리는 탄소와 산소가 서로 상호작용으로 반응을 하게 되면, 한쪽은 팽창하는 계가 되고 다른 한쪽은 수축하는 계가 되며 이 반응으로 인해 열에너지가 발생하는 것이다. 이는 원자내의 핵 분열 시 중성자와 양성자가 자리바꿈을 하면서 결합에너지를 내는 대신에 질량결손이 발생하는 원리와 같다고 보면 된다.

다음은 엔트로피의 개념에 대해 알아보자. 엔트로피는 어떤 물질이 변형되어 다시 원래의 상태로 환원될 수 없게 되는 현상을 말한다. 물질이라는 질량을 가진 에너지 사용으로 결국 새로운 형태의 에너지를 생성하는 대신에 기존에 가지고 있던 에너지 질량에 결손이 생겨 원래 상태로 되돌릴 수 없는 변화를 말한다.

원자와 분자의 세계를 미시세계라고 하며, 이와 같은 미시의 영역에서 발생하는 과학의 원리를 다루는 학문을 양자역학이라고 한다. 탄소원자나 산소분자 같은 것들의 운동현상을 잘 알아내려면 우선 원자의 근본성질을 아는 것이 중요하다. 미시세계에서는 우리들이 겪는 일상세계와 달리 뉴턴의 운동법칙이 성립하지 않는다. 수학적으로도 곱셈의 교환법칙이 성립하지 않는 등 상식선에서 원자를 이해하려면 막강한 저항에 부딪히게 된다. 원자의 근본성질을 한 문장으로 정리하면, 원자는 가까이 가면 멀어지려하고 멀어지면 가까워지려 한다이다. 그리고 원자들은 특히 온도에 가장 민감하게 반응하는데, 온도에 가장 많은 영향을 받는다는 거이지 다른 요소들, 이를테면 중력이나 거리 속도 등의 관계를 무시하라는 것은 아니다.

지구 대기권에서 탄소나 산소의 반응과 운동은 범위가 광범위하여 인간의 시각적인 상상력 범위를 뛰어넘는다. 그러기 때문에 아무리 설명을 잘해도 실질적인 설명이 되지 못한다. 이럴 때는 모델을 축소하여 눈앞에 보이는 것처럼 설명하는 방법이 효과적이다.

지구의 대기공간에서 온도와 기체분자들의 운동 계를 묘사하기 위해 자동차 바퀴의 타이어를 생각해보자. 이 타이어가 온도와 관련 있어야하므로 차가운 타이어와 뜨거운 타이어를 상정해 보자. 타이어 안에서는 공기 밀도가 일정한 분포를 보인다. 반면 지구 대기권에서의 공기 밀도는 높낮이 위치에 따라 다르다. 이처럼 타이어안에서의 공기와 지구 대기권에서의 공기는 밀도가 다를 뿐이므로 타이어의 공기현상을 관찰한 후에 그 결과를 지구 대기권의 공기현상에 대입하면 의문점을 해소할 수 있다.

겨울철 타이어는 온도가 차므로 공기분자들은 운동 측면에서 수축상태에 있다. 여름철 타이어는 온도가 높으므로 공기분자들은 운동 측면에서 팽창 상태에 있다. 이제 계절이 바뀌는 상황을 적용해 보자. 겨울철에서 여름철로 넘어가는 상황이 되면 타이어는 팽창상태에서 수축하려고 한다. 타이어의 공기압이 수축하고 팽창하는 것은 외부의 온도 변화에 따른 것이다. 이제 이 두개의 타이어를 어떤 방법으로 연결해서 하나의 타이어를 만든다고 치면, 온도변화에 따라 저절로 수축과 팽창이 반복해서 일어나는 모양의 타이어를 만들 수 있다.

이제 이런 현상을 지구의 대기권으로 확대시켜 보면 지구 대기권은 그야말로 수축하는 타이어와 팽창하는 타이어를 맛 붙여 놓은 것과 거의 동일한 상태이다. 한쪽이 겨울이면 그 반대편은 여름이기 때문이다. 북반구가 겨울이면 남반구는 여름이고, 북반구가 여름이면 남반구는 겨울이다. 이렇게 되면 지구의 대기권은 수축과 팽창으로 모양이 변한다고 할 수 있겠다. 여름철에는 지구의 대기권이 팽창하여 확대되고, 겨울철에는 지구의 대기권이 수축하여 축소되는 풍선효과가 나타나고 있는 것이 지구 대기권에서 공기들의 대류운동 현상이다. 이처럼 북반구와 남반구의 반대되는 대기상태가 상호작용하여 지구의 기상상황을 만들어 내고 있는 것이다. 여기에다 지구대기권 밖에서 대기권 내로 상호작용 또한 끊임없이 작용하고 있어 닫혀있는 고립된 공간이라고 부를 수 없는 상호 연결이 연속된 공간이라고 할 수 있다.

이상과 같은 현상을 바탕으로 열역학 제1법칙과 제2법칙을 생각해보자. 두 법칙은 우주가 닫혀있는 폐쇄된 공간이라고 가정했을 때 보다 잘 성립하는 법칙이다. 열린 공간이 되면 에너지가 보존되는 형태가 닫힌 공간 개념과는 달라진다. 특히 열역학 제2법칙은 우주자연의 현상 중 일정부분을 한정해서 그 부분에 온도를 개입시켰을 때 나타나는 법칙이다. 그래서 증기기관, 내연기관 등 열이라는 온도를 이용한 인공기계인 경우에만 잘 성립된다.

결론적으로 열이 발생할 때의 열역학 제2법칙 어김 여부, 생명이 탄생할 때나 별이 생성될 때, 핵융합이 이루어질때의 엔트로피 감소 여부 등을 이해하고자 할 때, 우주 자연의 원리에 팽창과 수축 그리고 대칭과 비대칭원리를 적용하면 우주가 자체 안정을 위해 가역반응으로 저절로 회복하는 속성을 지니고 있다는 주장을 보다 저항감 없이 받아들일 수 있을 것이다.