기초과학 중심 시간이 역행한다면 열역학 제2법칙은 어떻게 될까? — 엔트로피의 반전 가능성
기초과학 중심 시간이 역행한다면 열역학 제2법칙은 어떻게 될까? — 엔트로피의 반전 가능성 열역학 제2법칙은 시간이 한 방향으로 흐르는 이유를 설명한다.
시간이 역행한다면 엔트로피는 감소하겠지만,
이는 통계적으로 거의 불가능하다.
양자 수준에서는 시간 대칭이 존재하나,
거시 세계의 엔트로피 증가는 되돌릴 수 없는 우주의 법칙이다.
① 열역학 제2법칙이 말하는 ‘시간의 방향’
기초과학 중심 시간이 역행한다면 열역학 제2법칙은 어떻게 될까? — 엔트로피의 반전 가능성 우리가 사는 우주는 한 가지 뚜렷한 흐름을 가진다.
바로 시간은 한 방향으로만 흐른다는 사실이다.
컵이 떨어져 깨질 수는 있지만, 깨진 조각이 스스로 모여 원래의 컵으로 되돌아가지는 않는다.
이 일방향성의 근본 원리를 설명하는 법칙이 바로 열역학 제2법칙이다.
이 법칙은 간단히 말해,
“엔트로피(entropy), 즉 무질서도는 시간이 지남에 따라 항상 증가한다”는 것이다.
이는 우주 전체의 에너지가 점차 균등하게 퍼져나가며,
결국 모든 과정이 ‘불가역적(irreversible)’이라는 사실을 의미한다.
뜨거운 물과 찬물이 섞이면 미지근한 물이 되지만,
그 반대는 결코 자연적으로 일어나지 않는다.
엔트로피는 단순히 열의 분포를 말하는 것이 아니다.
이는 시간의 화살(arrow of time) 이 존재함을 증명하는 물리적 개념이다.
즉, 우리가 과거와 미래를 구분할 수 있는 이유가 바로
열역학 제2법칙에 의해 우주의 무질서가 끊임없이 증가하기 때문이다.
② 시간이 역행한다면, 엔트로피는 감소할 수 있을까?
기초과학 중심 시간이 역행한다면 열역학 제2법칙은 어떻게 될까? — 엔트로피의 반전 가능성
이제 상상해 보자.
만약 시간이 역행한다면, 즉 시계가 거꾸로 돈다면
열역학 제2법칙은 어떻게 될까?
이론적으로는, 시간의 방향이 뒤집히면 모든 과정이 반대로 진행된다.
깨진 컵이 다시 조립되고, 뜨거운 물과 찬물이 분리되며,
심지어 인간의 기억조차 역방향으로 재생될 것이다.
이 경우 엔트로피는 감소하는 방향으로 변한다.
즉, 무질서가 질서로 바뀌는 세계가 되는 것이다.
하지만 현실의 물리 법칙들은 이와 같은 상황을 허용하지 않는다.
왜냐하면 엔트로피 증가는 통계적 확률의 문제이기 때문이다.
모든 입자의 운동은 결국 확률에 의해 결정된다.
열역학 제2법칙은 “절대적인 법칙”이 아니라,
무한히 많은 입자가 있을 때 거의 항상 그런 방향으로 간다는 통계적 결과다.
따라서, 시간 역행이 일어난다면
이론상으로 엔트로피가 줄어드는 미시적 사건들은 가능하겠지만,
그 확률은 거의 0에 수렴한다.
예를 들어, 공기 분자 수십억 개가 한쪽 구석에 우연히 모이는 것도
이론적으로 가능하지만, 실제로는 절대 관찰되지 않는다.
마찬가지로 시간의 흐름이 거꾸로 간다 해도
엔트로피의 거대한 상승 방향을 되돌리기는 사실상 불가능하다.
③ 양자역학과 엔트로피 — ‘미시세계의 시간 대칭성’
기초과학 중심 시간이 역행한다면 열역학 제2법칙은 어떻게 될까? — 엔트로피의 반전 가능성
흥미로운 점은, 양자역학의 기본 법칙들은 시간의 대칭적이라는 것이다.
즉, 전자나 광자의 파동함수는 시간을 앞으로 보내거나 뒤로 돌려도
수학적으로 완전히 같은 형태를 유지한다.
이 말은 미시적인 수준에서는
“시간이 거꾸로 흐를 수도 있는 세계”가 가능하다는 뜻이다.
실제로 어떤 입자 반응은 시간 반전 연산에 대해 대칭성을 가진다.
이를 T-대칭(Time Reversal Symmetry)이라고 부른다.
하지만 현실 세계는 이 대칭성이 완벽히 유지되지 않는다.
1970년대에 발견된 CP 위반 현상(CP violation) 은
일부 입자들이 시간 반전 상태에서
조금 다른 확률로 붕괴함을 보여주었다.
즉, 미시 세계에서는 시간 대칭이 깨지는 경우가 실제로 존재한다는 것이다.
이 깨짐이 누적되면서,
우리가 인식하는 거시적 세계에서는
‘시간은 한쪽으로만 흐르는 것처럼’ 보이게 된다.
따라서 열역학 제2법칙은
미시적 세계의 통계적 비대칭이 거시적 수준에서 불가역적 현상으로 드러난 결과인 셈이다.
즉, 시간이 역행한다면
양자 수준에서는 그려볼 수 있지만,
현실의 복잡한 시스템에서는
무질서도가 감소하는 방향으로 우주가 흘러가는 것은 불가능하다.
④ 우주의 종말과 엔트로피의 역설 — ‘열적 죽음’ 이후의 가능성
기초과학 중심 시간이 역행한다면 열역학 제2법칙은 어떻게 될까? — 엔트로피의 반전 가능성
우주의 장기적 미래를 예측하는 우주론에서는
열역학 제2법칙이 중요한 역할을 한다.
모든 별은 언젠가 연료를 다 써서 식고,
에너지는 점차 균등하게 퍼진다.
이 상태를 열적 죽음(Heat Death)이라고 부른다.
그렇다면, 우주의 엔트로피가 최대에 도달한 이후
시간은 어떻게 될까?
이론상, 엔트로피가 더 이상 증가할 수 없을 때
시간의 흐름 자체가 의미를 잃게 된다.
변화가 없으면 ‘앞’과 ‘뒤’를 구분할 수 없기 때문이다.
여기서 한 가지 가설이 나온다.
만약 우주가 다시 수축하기 시작한다면,
즉 ‘빅 크런치(Big Crunch)’로 되돌아간다면
시간의 흐름도 반대로 작용할 수 있다는 것이다.
그 순간, 열역학 제2법칙이 반전되어
엔트로피가 감소하는 새로운 우주가 탄생할 수도 있다.
이 가설은 아직 관찰된 적이 없지만,
일부 물리학자들은 이를 엔트로피 대칭 우주 모델이라 부른다.
즉, 우리의 우주는 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐르지만,
어딘가 다른 차원에서는
엔트로피가 감소하는 거울 우주가 동시에 존재할 수도 있다는 것이다.
결국, 시간의 방향성은 절대적인 것이 아니라,
엔트로피가 정하는 확률적 결과일 뿐이다.
시간이 역행한다면 제2법칙은 반전될 수 있겠지만,
그런 우주는 지금의 물리 법칙으로는
결코 안정적으로 유지될 수 없을 것이다.