뜨거운 것과 차가운 것의 차이로 우주를 설명하다

이기진(서강대학교 물리학과 교수)

열역학 법칙으로 세계를 바꾼 13명의 과학 영웅들 그들의 진리를 향한 빛나는 탐구 여정 아마존 분야 1위! 역사상 가장 중요한 과학 혁명이 눈앞에 생생하게 펼쳐진다! 이기진 서강대 교수, 김범준 성균관대 교수, 김상욱 경희대 교수 추천 도서! 아인슈타인 하면 우리는 흔히 상대성 이론이나 양자 물리학을 떠올린다. 하지만 그가 물리학의 기초인 열역학의 대가라는 사실을 아는 사람이 얼마나 될까? 이 책은 열역학 법칙이 우리가 사는 세상을 설명해주는 법칙이자 우리가 현재 안고 있는 문제를 해결할 수 있는 원리라고 말하며, 이와 관련된 물리학 법칙과 과학자들에 얽힌 이야기를 재미있게 알려준다. 우리는 왜 먹고 숨을 쉬어야 할까? 빛은 어떻게 켜지는 것일까? 컴퓨터는 어느 수준까지 발전할 수 있을까? 우주는 어떤 최후를 맞이할까? 앞으로의 기후 변화에 우리는 어떻게 대처할 수 있을까? 이 모든 질문에 대한 답이 열역학에 숨어 있다. 《아인슈타인의 냉장고》에는 지난 200년간 뜨거운 것과 차가운 것의 차이를 밝혀내고, 이를 통해 우주를 설명하려고 노력해온 과학자들의 이야기가 담겨 있다. 저자인 폴 센은 과학 지식이 어떻게 국경과 시대를 넘어 전수되어왔는지, 그 과정을 맛깔나면서도 일목요연하게 보여준다. 본업인 과학 다큐멘터리 제작자답게 다양한 사례 조사와 폭넓은 물리학적 지식을 바탕으로 200년 현대 과학의 발전사를 탁월한 스토리텔링으로 풀어낸다. 과학적 발견과 진보가 어떻게 역사를 바꾸고, 그 역사가 어떻게 다시 과학을 발전시켰는지를 13명 과학자의 파란만장한 생애와 에피소드를 통해 우리를 매혹시킨다.

프롤로그

1장 영국으로 가다
2장 불을 이용한 동력
3장 창조주의 포고령
4장 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로
5장 물리학의 최대 현안
6장 열의 흐름과 시간의 끝
7장 엔트로피
8장 열의 운동
9장 확률의 법칙
10장 경우의 수 헤아리기
11장 파괴적인 후광
12장 볼츠만 두뇌
13장 양자
14장 설탕과 꽃가루
15장 대칭
16장 정보는 물리적이다
17장 맥스웰과 실라르드의 도깨비
18장 생명체의 수학
19장 사건 지평선

에필로그
감사의 글

부록 Ⅰ
부록 Ⅱ
부록 Ⅲ

주석
참고문헌
색인

열역학은 현대 문명을 떠받치는 기반이다. 열역학이라는 분야가 탄생한 후로 인류는 과거 그 어떤 시대보다 눈부신 발전을 이룩했으며, 지구상에 인류가 출현한 이래로 가장 건강하고 긴 삶을 누리고 있다. 일례로 요즘 태어난 아이들은 성인이 될 때까지 살아남을 확률이 거의 100퍼센트에 가깝다. 물론 세상에는 아직도 잘못된 부분이 많이 남아 있으나, 그런 것 때문에 과거의 원시적인 삶으로 돌아가려는 사람은 거의 없다. 물론 이 모든 발전을 열역학 혼자 이룩한 것은 아니지만, 열역학이 없었다면 인류는 지금처럼 풍요로운 삶을 누리지 못했을 것이다._9쪽, ‘프롤로그’ 중에서 우리 주변에서 일어나는 사건들은 대체로 비가역적이다. 그런데 톰슨은 열의 거동에서 이와 같은 비가역성을 발견한 것이다. 우주의 모든 사건이 한쪽 방향으로만 진행되는 데에는 그럴 만한 이유가 있다. 모든 사건은 에너지가 분산되는 방향으로 진행되며, 이것이 시간이 과거에서 미래로만 흐르는 이유이기도 하다. 톰슨은 시간의 화살(time’s arrow)이 일방통행인 이유를 알아냈다. 시간은 에너지가 ‘덜 분산된’ 과거에서 에너지가 ‘많이 분산된’ 미래를 향해 비가역적으로 흐른다. 그리고 에너지가 더 이상 분산될 수 없을 정도로 ‘완전히 분산되면’ 시간도 더 이상 흐르지 않는다._116쪽, ‘열의 흐름과 시간의 끝’ 중에서 오늘날 맥스웰은 전자기학을 확립한 물리학자로 알려져 있지만, 1860년대에 활동했던 과학자들 중에는 그의 운동이론을 모르는 사람이 거의 없었다. 한번은 왕립협회의 공개 강연장에서 강의가 끝나고 사람들이 한꺼번에 몰려나오면서 일대 혼잡을 이루었는데, 강연에 참석했던 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 군중 속에 섞여 있는 맥스웰을 향해 이렇게 소리쳤다고 한다. “이봐, 제임스. 왜 거기 갇혀 있나? 운동이론의 대가라면 그 정도는 쉽게 빠져나올 수 있어야지!”(이리저리 밀치는 사람들을 기체입자에 비유한 것이다.)_171~172쪽, ‘확률의 법칙’ 중에서 바로 여기서 기브스의 열역학 지도가 위력을 발휘한다. 이 그래프를 이용하면 물이 증기로 변할 때 추출 가능한 에너지의 양과 증기의 압력 그리고 온도를 알 수 있다. 또한 이 그래프는 터빈을 통과한 증기가 물로 응결될 때 가장 이상적인 온도를 알려준다. 이 정보를 활용하면 효율을 극대화하면서 발전소를 안전하게 운용할 수 있다. 집 안의 조명을 켜고, TV를 보고, 전기오븐에서 닭을 구울 수 있는 것도 기브스의 열역학 지도 덕분이다. 이 모든 장치들이 그로부터 탄생했기 때문이다._199~200쪽, ‘경우의 수 헤아리기’ 중에서 기술적인 면에서 아인슈타인이 가장 크게 공헌한 분야는 열 및 열역학과 관련된 분야이다. 그는 1920년대 말～1930년대 초에 걸쳐 냉장고를 설계하고, 특허를 획득하고, 시장을 개척하는 데 많은 시간을 투자했다. 당시 냉장고 제조 기술은 열역학적 측면에서 상당히 발전한 상태였지만, 암모니아나 염화메틸 또는 이산화황 같은 독성물질을 냉매로 사용했기 때문에 펌프의 이음매에서 가스가 새기라도 하면대형 사고로 이어질 가능성이 높았다. 1926년의 어느 날, 아인슈타인은 “베를린의 한 가정에서 냉장고 냉매가 유출되어 아이들을 포함한 일가족이 사망했다”는 신문기사를 읽고 안전한 냉장고를 만들기로 마음먹었다._298~299쪽, ‘대칭’ 중에서 일부 과학자들은 지난 수십 년 동안 열역학과 양자역학 그리고 일반 상대성 이론이 동시에 적용되는 또 하나의 분야를 열심히 연구해왔다. ‘정보이론’이 바로 그것이다. 블랙홀로 내던져진 기체상자를 예로 들어보자. 가장 근본적인 단계에서 기체의 엔트로피를 계산하려면 모든 분자의 위치와 진행 방향을 일일이 파악하여 끔찍하게 긴 목록을 작성해야 한다. 그다음, 1940년대에 클로드 섀넌이 했던 것처럼 목록에 적힌 모든 항목을 2진수로 바꾸면 1과 0으로 이루어진 긴 수열이 얻어진다. 이제 기체와 관련된 모든 정보는 이 수열에 들어 있다. 그런데 누군가가 기체상자를 블랙홀 안으로 던졌으므로, 베켄슈타인과 호킹의 이론에 의해 사건 지평선의 면적은 기체의 엔트로피만큼 증가한다. 구체적으로 얼마나 증가한다는 말인가? 맞다. 방금 기체를 대상으로 만든 1과 0의 숫자 배열이 사건 지평선 표면에 모두 들어갈 만큼 증가한다._427쪽, ‘사건 지평선’ 중에서 나는 이런 분위기를 조금이라도 바꾸기 위해 이 책을 집필했다. 여기까지 읽은 독자들은 열역학의 기본 개념을 어느 정도 이해했을 것이므로, 환경을 파괴하지 않고 생활수준을 유지하거나 개선하는 방법을 누군가가 제시했을 때 수용 여부를 스스로 판단할 수 있으리라 믿는다. 원자력 사용을 권장해야 하는가? 구식 가솔린차를 버리고 전기 자동차를 타야 하는가? 석유에는 어느 정도의 세금을 부과해야 하며, 풍력발전소에는 정부 보조금을 얼마나 투입해야 하는가? 열역학 법칙에 대한 기본적인 이해가 없다면 이런 질문에 답할 수 없다. 나는 올바른 정보에 기초한 토론만이 해결책을 찾는 유일한 길이라고 생각한다. 열역학은 지구를 파괴하지 않으면서 삶의 질을 개선할 수 있다. 문제는 열역학 자체가 아니라 그것을 사용하는 사람들의 마음 자세이다. 그러므로 모든 것은 여러분에게 달려 있다._438쪽, ‘에필로그’ 중에서

“과학의 역사가 가장 중요하다!”물리학을 탁월한 스토리텔링으로 엮어낸 대중 과학서 ㆍ우리는 왜 먹고 숨을 쉬어야 할까? ㆍ빛은 어떻게 켜질까? ㆍ컴퓨터는 어느 수준까지 발전할 수 있을까? ㆍ우주는 어떤 최후를 맞이할까? ㆍ앞으로의 기후 변화에 우리는 어떻게 대처할 수 있을까? 이 모든 질문에 대한 답이 열역학에 숨어 있다. 《아인슈타인의 냉장고》에는 지난 200년간 뜨거운 것과 차가운 것의 차이를 밝혀내고, 이를 통해 우주를 설명하려고 노력해온 과학자들의 이야기가 담겨 있다. 에너지와 엔트로피를 다루는 열역학은 자칫 어렵다는 인상을 주지만, 알고 보면 과학 분야 중에서 영향력이 가장 크다. 살아 있는 세포부터 은하 중심에 있는 블랙홀에 이르기까지, 우주 만물은 모두 열역학의 법칙을 따르기 때문이다.공학, 물리학, 화학, 생물학, 우주론, 수학 등 각 분야의 과학자들은 그들 나름대로 열역학 법칙을 해석해왔다. 프랑스의 외로운 군인이었지만 19세기 유럽에 혁명적 변화를 가져왔던 사디 카르노, 기사 작위를 받은 윌리엄 톰슨, 실용적 지식에 관심이 많았던 제임스 줄, 의사 출신의 물리학자 헤르판 폰 헬름홀츠, 열역학 제2법칙을 정식화한 루돌프 클라우지우스, 전자기학의 기초를 마련한 제임스 클러크 맥스웰, 통계역학의 초석을 다진 루트비히 볼츠만, 양자역학으로 유명한 알베르트 아인슈타인, 현대 수학자 80인에 유일하게 여성으로 이름을 올린 에미 뇌터, 정보이론의 창시자 클로드 섀넌, 위대한 수학가이자 암호학자인 앨런 튜링, 블랙홀 열역학의 선구자 제이콥 베케슈타인, 그리고 인간 승리의 본보기인 스티븐 호킹이 대표적이다. 저자인 폴 센은 이들 13명의 과학자들을 통해 과학 지식이 어떻게 국경과 시대를 넘어 전수되어왔는지, 그 과정을 맛깔나면서도 일목요연하게 보여준다. 본업인 다큐멘터리 제작자답게 다양한 사례 조사와 폭넓은 물리학적 지식을 바탕으로 200년 현대 과학의 발전사를 탁월한 스토리텔링으로 풀어낸다.우리 삶의 혁명적 변화를 불러온‘시간을 늦추는 장치’ 냉장고과학의 새로운 분야를 개척했던 용감한 선구자들은 고통과 슬픔 속에서도 진실을 찾겠다는 사명감 하나로 모든 시련을 극복하고 값진 유산을 우리에게 남겨주었다. 그들의 헌신적인 노력 덕분에 세상은 더욱 풍요로워졌으며, 모든 과학 분야에 혁명적인 변화가 찾아왔다. 그리고 그 혁명적 변화는 단순히 과학적 발전에만 그치지 않고 우리 삶에 많은 변화를 불러왔다. 대표적인 것이 바로 ‘냉장고’이다.냉장과 냉동 기술은 식량의 보존 기간을 늘렸고, 지구 반대편에 있는 나라에까지 식품이 유통될 수 있도록 만들었다. 냉장고 덕분에 현대인은 인류 역사상 그 어느 때보다 안전하고 영양가 높은 식생활을 영위하고 있다. 음식뿐만이 아니다. 질병 퇴치에 필수적인 백신도 대부분은 저온에서 보관해야 한다. 냉장고가 없었다면 수백, 수천만 명의 사람들이 첨단의술의 혜택을 받지 못했을 것이다. 많은 사람들이 산업혁명의 일등 공신으로 증기기관을 떠올리지만, 냉장고도 그 못지않게 중요한 역할을 했다.이제는 없어서는 안 될 대표적인 필수 템이 되어버린 냉장고는 ‘열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다’는 열역학의 절대적 법칙을 거스르는 대표적인 기계이다. 냉장고를 켜면 열은 차가운 내부에서 따뜻한 외부로 흐른다. 열이 흐르는 방향과 정반대이다. 이 장치의 목적은 엔트로피의 증가 속도가 ‘느려지는’ 공간을 만드는 것이다. 음식을 냉장고에 보관한다고 해서 신선도가 영원할 수는 없다. 냉장고 안에서도 음식은 썩게 마련이다. 따라서 냉장고의 진정한 목적은 음식을 비롯한 물체를 영구 보존하는 것이 아니라 ‘음식이 부패되는 속도를 늦추는 데’ 있다. 달리 말하면 ‘시간을 늦추는 장치’인 셈이다. 아인슈타인은 왜 냉장고를 만들었을까?진정한 과학은 상아탑에 안주하지 않는다아인슈타인이 이러한 냉장고를 설계, 개발했다는 사실을 아는 사람이 얼마나 될까? 아인슈타인 하면 양자역학을 주로 떠올리지만, 기술적인 면에서 아인슈타인이 가장 크게 공헌한 분야는 열 및 열역학과 관련된 분야였다. 1920년대 말부터 1930년대 초까지 아인슈타인은 냉장고를 설계하고, 특허를 획득하고, 시장을 개척하는 데 많은 시간을 투자했다. ‘진정한 과학은 상아탑에 안주하지 않고 긍정적인 방향으로 사회에 기여해야 한다’는 믿음이 있었기에 물리학 중에서도 일상생활과 가장 밀접하게 관련된 열역학을 꾸준히 파고든 것이다. 볼츠만과 같은 시기에 활동했던 미국의 물리학자 조사이어 윌러드 기브스의 열역학 지도도 오늘날 우리를 더 편안하고 안락한 삶을 영위할 수 있도록 이끌었다. 집 안의 조명을 켜고, 방 안에서 TV를 보고, 전기오븐에서 닭 요리를 할 수 있게 된 것은 기브스의 열역학 지도 덕분이다. 그의 연구로부터 발전소를 설계하고 안전하게 운용할 수 있는 방안이 나왔기 때문이다. 오늘날 우리가 장거리 통화를 하고 간단하게 문자를 주고받을 수 있게 된 것도 정보량과 관련한 엔트로피 연구에서 비롯되었다. 어떻게 우리는 0과 1로 메시지를 주고받을 수 있게 되었을까? 그 연구의 과정과 결과도 《아인슈타인의 냉장고》에서 확인할 수 있다. 우리 일상에 숨은위대한 과학사적 발견과 흥미진진한 이야기!이렇듯 인간은 열의 효율적인 사용법을 개발하여 삶의 질을 크게 높여왔다. 물론 그 반대급부로 얻은 아름답지 못한 문제들도 있다. 지구 온난화 같은 기후 문제가 대표적이다. 그렇다고 다시 과거로 돌아가야 할까? 그 어느 누구도 그걸 바라진 않을 것이다. 그렇다면 우리가 해야 할 일은 문제를 바로 보고 해결책을 찾는 것이다. 원자력 사용을 권장해야 할까? 구식 가솔린차를 버리고 전기 자동차를 타야 할까? 석유에는 어느 정도의 세금을 부과해야 할까? 풍력발전소에는 정부 보조금을 얼마나 투입해야 할까? 열역학 법칙에 대한 기본적인 이해가 없다면 우리는 이러한 문제에 제대로 된 판단 및 선택을 내리기가 어렵다. 다시 말해, 열역학 법칙은 교과서 내에만 머무는 학문적 지식이 아니라 우리 생활과 직결되는 실용적 지식인 것이다. 따라서 우리는 지금껏 열역학을 통해 삶의 질을 높여왔듯이, 열역학을 통해 환경을 파괴하지 않으면서 생활수준을 유지시킬 수 있는 방법 또한 찾을 수 있을 것이다. 이 책의 목적 중 하나가 바로 그것이다. 《아인슈타인의 냉장고》를 통해 우리는 열역학에 대한 어려움과 오해를 지우고, 우리 삶을 바꾼 열역학에 대한 새로운 관점을 가지게 될 것이다. 루트비히 볼츠만은 이렇게 말했다. “국가적 사업에서 수백만 명을 진두지휘하거나, 십만 대군을 이끌고 전쟁에서 승리하는 것은 물론 위대한 일이다. 그러나 허름한 연구실에서 허름한 장비로 자연의 진리를 발견하는 것은 더욱 위대한 일이라고 생각한다. 승리한 전쟁은 역사학자의 기록 보관소에 저장될 뿐이지만, 자연의 진리는 지식의 기초가 되어 인류의 삶에 끊임없이 영향을 주기 때문이다.”