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책, 이게뭐라고

내 방이 어질러지는 데에는 그만한 이유가 있다!

우리의 삶을 둘러싼 과학!

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출처JTBC <독립만세> 방송화면

통계물리학이란?

미시적인 정보들을 모아 전체가 어떤 특성을 보여주는지 연구하는 것이 통계물리학이다. 통계물리학자들이 요즘 많이 연구하고 있는 분야의 이름에 ‘복잡계’라는 연구 분야가 있다. 복잡계는 수많은 구성요소로 이루어져 있는 시스템인데, 서로 다른 구성요소들이 강하게 영향을 주고받으면서 함께 상호작용을 통해 거시적 현상을 만들어내는 것이 바로 복잡계이다.


이를 좀 더 자세히 살펴보자. ‘one and one make two’라는 문장이 있다. ‘1+1=2’라는 뜻이다. 만약 우리가 one만 알고 and을 모른다면 two가 무엇인지는 절대 알 수 없다. two는 ‘전체의 의미’라고 생각하면 되고, one은 전체를 구성하는 ‘구성요소’라고 생각하면 된다. 그렇다면 and은 무엇일까? 바로 ‘구성요소들 사이의 관계’를 뜻한다. 구성요소나 구성요소들 사이의 상호작용 관계를 모른다면 절대로 전체를 이해할 수 없다는 것이 이 문장이 하고자 하는 이야기이다.

일어날 일은 무조건 일어난다!

엔트로피에 대해 이야기해보자. 엔트로피는 열역학 법칙에 등장하는 개념이다. 열역학 법칙 중에서도 제2법칙에 속하는데 ‘어떤 과정에서 항상 늘어나기만 한다’는 의미가 담겨 있다. 열역학적인 엔트로피를 수학적으로 정교히 수식의 형태로 제안한 사람이 ‘볼츠만’이라는 물리학자이다. ‘볼츠만의 엔트로피’라고 불리는 이 엔트로피는 가만히 내버려두면 미시 상태의 숫자가 더 큰 방향으로 흐르고 동시에 전체 시스템이 자연스럽게 변화된다는 의미를 담고 있다.


그렇다면 ‘엔트로피 증가의 법칙’은 무엇일까? 일어날 확률이 아주 큰 사건은 일어날 수밖에 없다는 것이 이 법칙이 가진 의미이다. 엔트로피가 증가하지 않는 경우도 있긴 하지만, 우리가 살고 있는 세상은 구성요소의 수가 엄청나게 많은 세상이고, 그렇기에 엔트로피가 줄어드는 것은 잘 볼 수 없다. 

엔트로피가 늘어나려면?

엔트로피가 늘어나려면 두 가지의 조건이 필요하다. 하나는 시스템의 크기가 거시적인 크기여야만 하고, 또 하나는 외부에서 영향을 주는 존재가 없어야만 한다는 것이다. 그걸 물리학자들은 ‘고립계’라고 부른다. 외부로부터 완벽히 고립되어 있어서 외부의 영향을 전혀 받지 않는 시스템을 말하는 것이다.

엔트로피는 지구의 생명과도 연결지어 볼 수 있다. 생명체는 고립계가 아니다. 생명이라는 현상을 유지하려면 우리는 끊임없이 외부로부터 에너지를 받아들여야 한다.

통계물리학은 결국 관계의 과학이다!

내 방이 어질러질 수밖에 없는 이유?

그렇다면 엔트로피가 증가하는 현상에는 어떤 것들이 있을까? 엔트로피 증가의 법칙은 열역학에서 먼저 발견됐다. 뜨거운 물체와 차가운 물체를 붙여 놓으면 뜨거운 물체는 온도가 내려가고 차가운 물체는 온도가 올라가는 것은 엔트로피가 증가하는 현상이다. 물건이 정돈된 방 안에서 눈을 감고 물건을 집어 여기저기 마구 던져서, 정돈된 방을 어지럽히는 것도 마찬가지다.


어질러진 상태라는 거시 상태에 해당하는 미시 상태의 수는, 말끔히 정돈된 거시 상태에 해당하는 미시 상태의 수보다 엄청나게 더 크기 때문이다. 깨끗하게 정돈된 방은 무얼 해도 더 어질러지고, 극도로 어지럽혀진 방은 엔트로피가 최댓값을 가져 아무리 물건을 더 집어던져도 더 어지럽힐 수 없다. 결국 방이 어지러질 수밖에 없는 것이 바로 엔트로피 증가의 법칙이다. 


살아 있는 한, 우리 모두는
누군가와 연결된다

우리 인간은 고립된 섬이 아니다. 우리는 주변의 사람들, 환경, 생명체와 끊임없이 관계를 맺으면서 서로 정보와 에너지를 교환하고 끊임없이 엔트로피를 줄여가며 생명을 유지하는 존재다. 아침에 일어나 먹은 맛있는 음식이 분해되어 내 몸의 구성 물질이 되어 가지런히 정돈되는 것도 엔트로피가 줄어드는 과정이고, 어제 읽은 책 덕분에 오늘 조금 더 알게 되었다면 이것도 엔트로피가 줄어드는 과정이다.


모든 연결이 멈춰 시간이 지날수록 엔트로피가 계속 늘어나는 상태가 곧 죽음이다. 살아 있는 모두는 외부와 연결되어 있고, 외부로부터 에너지와 정보를 받아들여 스스로 엔트로피를 줄이는 일을 늘 하고 있다. 


※해당 콘텐츠는 『내가 누구인지 뉴턴에게 물었다』 도서를 활용하여 작성했습니다.


거대한 우주 속 먼지 같은 '나'
나를 이해하고 싶다면 나의 바깥을 보라!

우주, 원자, 시공간, 엔트로피, 고전역학 ⋅ ⋅ ⋅
복잡한 세계를 단순하게 읽어내는 물리학과 함께
특별한 나를 발견하는 경이로운 여정이 시작된다!


■대한민국 대표 교수진의 지식 공유 프로젝트
■내 인생에 지혜를 더하는 시간, '인생명강'
■세상에서 가장 따뜻한 물리학자, 김범준 교수가 전하는
《인생명강02-내가 누구인지 뉴턴에게 물었다》

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