안녕하세요. 스타 강사 섭외 전문 플랫폼 호오컨설팅입니다.

오늘 포스팅은 스타 강사 섭외, 물리학자 김범준 교수 강연 '시간이 흘러도 변하지 않는 우주의 법칙 - 열역학' 강의 특강 영상입니다.

 

만약 후손에게 딱 하나의 이론을 남길 수 있다면 무엇을 택할 수 있을까?

그 질문을 받고 제가 떠오른 저만의 답은 바로 "열역학" 이었습니다.

에너지 그리고 엔트로피에 대한 이야기죠.

제 답을 택한 이유가 있는데요.

아인슈타인은 이런 이야기를 남겼습니다.

"가정한 전제가 단순하고 다양한 대상을 서로 연결하며 적용 범위가 넓을수록 더욱 인상적인 이론입니다.

고전 열역학이 제게 깊은 인상을 남긴 이유입니다.

열역학은 현재 우리가 가진 물리학 이론 중 유일하게 기본 개념만의 적용으로 보편적인 결과를 얻습니다.

열역학이야말로 현재 우리가 가진 이론 중에서 다가올 미래에 잘못된 이론으로 판정될 여지가 전혀 없는 그런 이론입니다."

아인슈타인이 한 이야기에 저도 동의합니다.

열역학은 미래에 아무리 시간이 오래 흐르더라도 잘못된 이론으로 판정될 수 없다고 저도 확신하고 있습니다.

그런데 이런 열역학의 내용을 인류가 과학이라는 오랜 활동을 통해서 차단하기까지는 상당히 오랜 시간이 걸렸던 거죠.

만약 우리가 후대에게 열역학의 법칙을 정리해서 전달할 수 있다면

우리 과학의 선조가 보낸 그 수천 년이라는 시간을 압축적으로 줄일 수 있지 않을까 그런 생각을 해보았습니다.

열역학에 의하면 우주에는 늘지도 줄지도 않고 일정하게 항상 유지되는 것이 있습니다.

그리고 시간이 지나면서 우주에서 계속 늘어만 가는 것도 있습니다.

먼저 열역학의 첫 번째 법칙인 에너지 보존 법칙에 대해서 제가 비유를 통해서 설명드려보겠습니다.

제가 강의를 하고 있는 교실이 있는데, 교실에는 앞문과 뒷문이 있습니다.

제가 수업을 시작할 때 학생들이 몇 명이 있는지 출석을 불러보니까 30명의 학생이 있다는 걸 알게 됐습니다.

그런데 수업을 시작한 이후에 앞문으로 들어온 학생이 4명이 더 있었고요.

수업 중에 뒷문으로 나간 학생은 두 명이 있었다고 가정해 보겠습니다.

그렇다면 수업을 마친 시점에 제가 다시 출석을 부른다면 당연히 저는 32명의 학생이 있다는 걸 확인할 수 있게 되겠죠.

마지막 32명에서 수업이 시작할 때의 학생 숫자였던 30명을 빼면 학생 수의 변화는 2명이 됩니다.

한편 앞문으로 들어온 학생은 4명, 뒷문을 통과해서 나간 학생은 2명이라서

앞문으로 들어온 학생에서 뒷문으로 나간 학생의 숫자를 빼는 같은 숫자 2명이라는 숫자를 얻게 되죠.

이처럼 학생 수의 변화량은 앞문으로 들어온 학생 수에서 뒷문으로 들어온 학생 수를 덧셈을 하면 우리가 쉽게 구할 수 있습니다.

물론 들어왔을 때는 플러스로 계산해야 될 거고, 나간 학생은 마이너스로 부호를 넣어서 우리가 계산을 해야겠죠.

만약 여러분이 지금 제가 설명드린 강의실 학생 출석 부르는 문제를 이해하셨다면 여러분은 사실 열역학 제1법칙을 이해하신겁니다.

열역학 제1법칙은 에너지의 변화량이 전달되어 들어온 열의 양 더하기 전달돼서 들어온 일의 양의 합과 같다는 것을 의미합니다.

열의 양을 앞문으로 들어온 학생 수, 일의 양을 뒷문으로 들어온 학생 수라고 생각하신다면

열역학 제1법칙은 너무나 자명한 그런 자연법칙이라는 데에 많은 분들이 동의하실 수 있을 것 같습니다.

짧게 요약해서 설명드리자면 열역학 제1법칙은 에너지는 들어온 만큼 늘어나고 나간 만큼 줄어든다라는 것과 같은 겁니다.

이처럼 열역학 제1 법칙은 우주 전체의 에너지가 일정한 값으로 보존된다는 것을 뜻합니다.

다음에는 열역학 제2 법칙에 대한 이야기를 여러분 모두 다 익숙한 윷놀이를 이용해서 설명드려보겠습니다.

네 가락을 던지면 우리는 당연히 도, 개 ,걸, 윷, 모 이렇게 다섯 개의 결과를 우리는 얻을 수 있습니다.

도는 전체 4개의 윷가락 중에 판판한 배를 보이는 육가락이 딱 하나만 있는 그런 상태를 뜻하죠.

전체 중에 몇 개가 배를 보이고 몇 개가 등을 보이는지 전체에 대한 이야기로

우리가 윷가락 4개의 상태를 설명하는 것 이런 것을 통계물리학에선 거시상태라고 부릅니다.

전체가 바로 거시에 해당하는 뜻이 되고, 거시 상태는 윷가락 4개의 전체 상태를 뜻하는 그런 의미라고 여러분이 생각하실 수 있습니다.

한편 개라는 하나의 거시 상태를 한번 우리가 세밀하게 살펴볼 수 있습니다.

개는 4개의 윷가락 중에 두 개가 등을 그리고 나머지 둘은 배를 보이는 그런 상태인데요.

4개 중에 등을 보이는 윷가락이 몇 개인지, 배를 보이는 윷가락이 몇 개인지는 거시 상태인 개를 설명할 때

우리가 고려하지만 몇 번째와 몇 번째 윷가락이 등을 보이고 다른 2개의 육가락 중에 어떤 것은 배를 보이는지는

우리가 개라고 거시 상태를 우리가 지칭할 때는 그런 정보는 들어있지는 않죠.

세 보시면 개라는 윷가락의 상태를 만들어내는 4개의 윷가락이 보여줄 수 있는 가능한 모든 경우의 숫자는 딱 6개가 있다는 걸 알 수 있습니다.

이럴 때 통계물리학에서는 개라는 거시 상태를 만들어내는 미시 상태의 개수가 여섯이다라고 이야기합니다.

그리고 육가락 4개가 같은 공장에서 똑같이 만들어졌다면 서로 다른 확률로 개가 나올 수는 없겠죠.

그래서 이 6개의 미시 상태는 다 똑같은 확률 즉 6분의 1의 확률로 구현된다는 것을 우리는 짐작할 수 있습니다.

만약에 윷가락이 여럿이면 어떻게 될까요?

모든 윷가락이 배를 보이는 상태는 전체 가능한 경우 중에 딱 한 경우밖에 없다는 걸 금방 알 수 있습니다.

한편 이 많은 윷가락 중에 딱 절반은 등을 나머지 절반은 배를 보이는 그런 경우의 숫자는 굉장히 큰 숫자가 될 수 있다는 것도 확인할 수 있죠.

제가 한번 계산을 해봤어요.

보통 우리가 하는 윷놀이와 다르게 윷가락 천 개를 갖고 윷놀이를 한다라고 한번 상상해 보겠습니다.

윷가락 천 개를 던졌는데 그 1천 개 모두 다 배를 보이는 거시상태에는 딱 한 가지의 미시 상태만 가능합니다.

한편 천 개 중 절반인 500개가 배를 보이는 미시 상태의 숫자는 제가 한번 숫자로 적어봤는데요.

폰트를 좀 작게 해도 한 세 줄 이상으로 길게 이어지는 엄청나게 미시 상태의 숫자를 얻게 됩니다.

그렇다면 윷가락 천 개가 들어있는 커다란 주머니를 마구마구 흔들다가

주머니에 들어있던 윷가락 천 개를 모두 바닥에 쏟아내는 경우를 여러분이 상상해 보시면 여러분은 모두 배를 보이는 상태를 볼 확률이 클까요?

아니면 절반 정도가 배를 보이는 상태를 볼 확률이 클까요?

당연히 우리는 500개 정도 절반 정도의 윷가락이 배를 보이는 상태를 윷가락을 천 개를 던졌을 때 우리는 훨씬 더 높은 확률로 볼 수 있게 됩니다.

만약에 여러분이 제가 설명드린 이 말씀을 이해하셨다면 여러분은 엔트로피 증가의 법칙을 이해하신 것과 다름없습니다.

엔트로피 증가의 법칙은 가능한 미시 상태의 개수가 엄청나게 큰 거시 상태를 우리는 관찰하게 된다라는

어찌 보면 굉장히 동어 반복과 비슷한 너무나 자명한 이야기에 해당합니다.

그래서 볼지만은 가능한 미세 상태가 몇 개 없던 거시 상태 앞에서 제가 설명드린 윷가락의 예라면 윷가락 천 개가 모두 다 배를 보이고 있는 상태,

그런 상태에서 출발해서 윷가락을 마구마구 흔들면 그러면 결국 우리가 시간이 지나면서 보게 되는 상태는 미시 상태의 숫자가 아주 많은

즉 1천 개 중 절반 정도의 윷가락이 배를 보이는 그런 거시상태로 육가락 천 개의 상태가 변화한다는 것을 깨달은 거죠.

동전이 사실은 더 익숙할 수도 있습니다.

천 개의 동전이 모두 앞면인 상태에서 시작해서 주머니를 흔들면

우리는 앞면과 뒷면이 거의 같은 숫자가 있는 그런 상태를 우리가 확인할 수밖에 없게 되는 거죠.

이런 이야기를 조금 더 자세하게 할 수 있는데요.

제가 설명드린 이 논의를 통해서 "엔트로피는 미시 상태의 숫자의 증가 함수여야 한다" 라는 것을 알게 됩니다.

미시 상태의 숫자가 늘어나는 그런 방향이 바로 엔트로피가 증가하는 방향이다라고 생각한 거죠.

우리가 살아가는 세상에서는 시간이 흐르면 엔트로피는 자연스럽게 증가하게 됩니다.

앞으로 똑바로 걷는 사람을 찍은 동영상을 거꾸로 틀면 사람들은 뒤로 걷고요.

만약에 어떤 물체에 맞아서 깨어진 그런 유리잔을 동영상을 찍어서 거꾸로 들면 다시 예쁜 유리잔이 되는 걸 볼 수 있죠.

이처럼 우리가 살고 있는 세상에선 시간은 한쪽 방향으로 흐르고 그 방향이 바로 엔트로피가 증가하는 방향에 해당하게 됩니다.

열역학 제2 법칙은 바로 엔트로피 증가의 법칙입니다.

제가 오늘 여러분께 말씀드리고 싶었던 것은 엔트로피 증가의 법칙을 여러분이 막상 이해하고 나면 자명한 법칙이라는 겁니다.

엔트로피가 늘어나는 방향이 미시 상태의 숫자가 늘어나는 방향이고요.

미시 상태의 숫자가 굉장히 큰 상태는 경우의 숫자가 큰 거라서 우리가 일어날 가능성이 아주 큰 사건이다라고 이야기할 수 있습니다.

우주에는 일정하게 보존되는 것은 에너지이고, 시간이 지나면서 계속 늘어나는 것은 열역학 제2법칙의 엔트로피입니다.

여러분이 오늘 제 강연을 이해하셨다면 에너지가 보존된다는 것은 들어온 만큼 늘어난다라는 굉장히 자명한 이야기고요.

엔트로피가 늘어난다라는 이야기는 일어날 확률이 큰 사건은 일어나게 마련이다라는 것에 불과해서

둘 모두 아주 자명한 그런 자연 법칙이다라는 것에 여러분이 동의하실 수 있기를 바랍니다.

그런데 인류가 이처럼 자명한 법칙을 찾아내기까지는 수천 년의 시간이 걸렸습니다.

제가 바로 열역학의 두 법칙을 인류의 후손에게 남길 딱 하나의 이론으로 고른 이유입니다.



김범준 교수님은 現 성균관대학교 물리학과 교수로 재직하시며, 스타 강사 섭외를 통해 과학, 인문학 특강 강연을 진행하고 계십니다. 

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