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Nov 29. 2019
[최무영 교수의 물리학 강의]
Who AM I ?
1. 들어가는 글
모든 세계관에는 그 창시자가 있다.
설계도를 그리는 사람이 있고 그 내용을 채워 완성하는 나머지 사람들이 있다. 기계시대의 설계도가 완성되기까지 많은 사람들이 초벌 도면을 그렸다. 18세기 중엽이 되자 기계 패러다임의 모든 요소들이 하나의 설계로 통합되었다. 기계시대의 스위치를 켤 준비가 된 것이다. 기계론적 세계관은 프랜시스 베이컨 Francis Bacon, 르네 데카르트 Rene Descartes, 아이작 뉴턴 Issac Newton 등 세 사람의 공동 작품이다. 300년이 지난 오늘날까지 우리는 이들이 만든 사상의 영향 아래 살고 있다. 1) p37
최무영 교수의 물리학 강의로 2번째 서평이다. 5부 거시 현상과 엔트로피에서 7부 복잡계와 통합적 사고를 다룰 예정이다. 물론 어려운 물리학 이론이나 개념 내용은 넘어갈 것이다. 내가 이해를 못하는 것에 대해 서평을 쓴다는 것은 의미가 없기 때문이다. 그럼 이제 내가 이해한 내용을 정리하면서 이야기를 풀어나가겠다. 혹시나 오류가 발생할 수도 있으니 두 눈 크게 뜨고 읽어 보길 바란다.
"열역학"이라고 하면 매우 복잡한 개념처럼 들린다. 그러나 사실 열역학은 우리가 아는 과학 개념 중 에서 가장 단순하면서도 가장 놀라운 것이다. 제1일 법칙과 제2법칙을 합쳐서 한 문장으로 설명하자면 다음과 같다.
열역학 법칙 구글 이미지 참조'우주의 에너지 총량은 일정하며(제1법칙), 엔트로피 총량은 지속적으로 증가한다.(제2법칙)'
우리가 걱정해야 할 것이 열역학 제1 법칙뿐이라면 에너지가 고갈될 걱정은 할 필요가 없을 것이다. 그러나 세상은 그렇지 않다. 예를 들어 석탄 한 조각을 태운다면 태우기 전과 후의 에너지 총량은 같겠지만 일부는 아황산가스와 기타 기체로 바뀌어 대기 등으로 흩어진다. 이 과정에서 사라지는 에너지는 없지만 이 석탄 한 조각을 다시 태워서 같은 일을 할 수 없음을 우리는 알고 있다. 여기에 대한 설명은 열역학 제2법칙에서 찾을 수 있다. 제2법칙은 이렇게 말한다. 에너지는 한 상태에서 다른 상태로 옮겨갈 때마다 "일정액의 벌금을 낸다."'여기서 벌금은 '일할 수 있는 유용한 에너지가 손실되는 것'을 말한다. 이것을 가리키는 용어가 바로 엔트로피 Entropy이다. 엔트로피는 더 이상 일로 전환될 수 없는 에너지의 양을 측정하는 수단이다. 2) p57-58
2. 본론 글
나는 엔트로피의 개념을 이해하면서 슬픈 생각이 들었다. 나는 사람은 죽어서 별이 된다고 믿고 싶은 어른이라고 이전 글에서 말했다. 하지만 엔트로피의 개념을 적용하면 인간의 죽음은 또 다른 에너지로의 변화만 있는 것이고 같은 상태로 되지 않고 다른 상태로 옮겨갈 때마다 '일정액의 벌금을 낸다."는 것이다. 그 벌금은 기억에 대한 슬픔일까? 물리학 책을 읽으면서 울었다. 말로 표현하기 어려운 무엇인가가 가슴속에 훅 ~ 들어오면서 마음이 아팠다.
엔트로피를 생각하면 떠오르는 그림이 있다. 그것은 바로 고갱의 작품이다. 고갱이 딸의 죽음에서 슬픔을 이기지 못하고 자살을 시도한 후 그린 그림이다. 고갱은 관람자에게 질문을 던지듯이 그림을 그렸다.
고갱 <우리는 어디서 왔는가? 우리는 무엇인가? 우리는 어디로 가는가?>이 작품은 가로 4m , 세로 1m가 넘는 대작으로 고갱이 한 달여 만에 그린 작품이다. 제목만 보아도 철학적인 질문을 던지는 작품임을 알 수 있다. 엔트로피 법칙이 가장 중요해지는 순간이라면 시간을 정의할 때 일 것이다. 성 아우구스티누스 Saint Augustine는 이렇게 말했다."누군가 나에게 시간이 무엇인지 묻지 않을 때 나는 시간을 안다. 그러나 누군가에게 설명을 하려고 들면 나는 시간이 무엇인지 더 이상 알지 못한다." 기계론적 세계관에서의 시간은 엔트로피 세계관에서의 시간과 매우 다르다. 고전 물리학에서 시간은 과거, 미래 양방향으로 모두 갈 수 있다.
뉴턴은 이론상 물이 거꾸로 흐를 수 있다고 말한다. 그러나 그것이 불가능함을 우리가 알고 있다. 그 이유는 제2법칙에서 설명된다. "시간은 아무도 기다려주지 않는다.", "시간은 흘러간다."우리가 경험하는 시간은 비가역적이라는 사실이다. 시간은 한 방향, 즉 앞으로만 흘러간다. 이 방향은 또한 엔트로피 변화의 함수이기도 하다. 시간은 에너지가 집중된 형태에서 분산된 형태로, 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 변화하는 것을 비춰준다. 엔트로피 과정을 역행시킬 수 있다면 모든 것을 처음 상태로 되돌려 놓을 수 있을 것이다. 3) p73-74
어려운 내용을 읽다가 권정생 선생님 이야기를 하셔서 무척이나 반가웠다. 아이 키우는 엄마라면 한 번쯤 읽어 본 <강아지 똥>이라는 동화책이다. 이 책의 대표적인 장면으로 강아지 똥이 비를 맞으며 민들레를 끌어안고 온몸이 자디잘게 부서져 거름이 되어가는 장면을 묘사한 부분이다. 그리고 민들레 꽃이 핀다.
강아지 똥은 민들레 꽃으로 변환되는 것이다. 우리 딸이 이 장면에서 "엄마 강아지 똥이 민들레로 변한 거예요? 강아지 똥은 민들레꽃이 되기 위해서 태어난 건가요? 그럼 나는 무엇이 되기 위해 태어난 거죠? "이렇게 물을 때 "응 서현이도 서현이만의 꽃을 피우기 위해서 태어난 거란다."라도 말해준 기억이 난다.
내가 이해한 엔트로피 개념은 이렇게 정리하고 다음 이야기를 전개하겠다.
생명체란 철저하게 열려 있는 계이기 때문에 우리는 지구에서만 살아 존재할 수 있다. 지구와 우리 몸을 이루는 탄소, 산소, 질소 따위의 원자들은 모두 우주의 탄생과 더불어 생겨난 거다. 우주의 형성과 진화 과정에서 같이 이루어졌기 때문에 우주는 우리 몸과 직접 연관되어 있고 궁극적으로 운명을 같이하게 된다. 4) p501
은하철도 999 이미지 참조은하철도 999는 일본의 저명한 만화가인 마쓰모토 레이지의 대표작 중 하나이다. 어릴 적 우주를 생각하면 가장 먼저 이 만화가 떠오른다. 내가 어릴 적엔 책이 귀했다. 과학책을 쉽게 접할 기회가 없었고 칼라 TV가 처음으로 나올 때 본 우주를 배경으로 한 만화영화는 환상과 신비감 그 자체였다. 노래를 따라 부르면서 만화 상영 시간만 기다리는 나의 유년기 시절...
그때는 은하철도 999 기차를 타고 우주를 여행하는 시간이 얼마나 설레었는지 모른다. 우주 속에 있는 별은 먼지에서 태어나 먼지로 돌아간다고 한다. 그런데 사는 동안은 휘황찬란하게 별빛을 내면서 그야말로 찬란하게 살다가 격렬하게 터져서 죽는다. 별 사이 물질로 남아 있지, 새삼스럽게 왜 뭉쳐서 별이 되나요? 어차피 먼지로 돌아갈 건데 그대로 있지, 왜 태어나서 존재의 번거로움을 겪을까 하는 의문이 든다. 사실 인간도 마찬가지로 그냥 먼지로 남아 있지, 왜 굳이 태어나서 존재의 고통을 느끼며 살까? 별의 삶은 우리에게 여러 가지로 느끼게 한다. 사실 별이 사는 것은 우리와 깊은 관련이 있다. 우리가 존재하는데 필요한 무거운 원소들은 바로 별이 공급해 준다. 그러니 우리는 결국 별 때문에 존재한다. 5) p552
복잡계 물리는 자연현상의 다양한 복잡성이 근본적으로 복잡계가 보이는 '떠오르는 현상'이라고 간주한다. 일반적으로 많은 구성원으로 이뤄진 뭇 알갱이 계에서는 구성원의 상호작용 때문에 생기는 협동 현상으로 특징적인 집단 성질이 떠오를 수 있다고 지적했다. 복잡성이란 바로 이러한 협동 현상으로 떠오르는 집단 성질이라 할 수 있다. 흔히 복잡성을 혼돈과 혼동하는 경우가 많은데 혼돈은 질서보다는 무질서 쪽에 가깝다. 복잡성은 질서와 무질서의 사이라는 점에서 '혼돈의 언저리에 있다.'라고 표현하기도 하며, 높은 변이성에서 짐작할 수 있듯이 혼돈과 마찬가지로 비선형성에 기인하는 예측 불가능성을 보인다. 6) p620
이런 복잡계로 이루어진 인간의 생명에 대해서 알아보자. 유전자는 다이아몬드처럼 영원하지만 다이아몬드와 다른 면이 있다. 다이아몬드의 결정은 원자들의 일정한 배열 패턴으로 그 존재가 지속된다. DNA 분자는 그와 같은 영구성은 가지고 있지 않다. 물리적 DNA 분자는 어느 것이든 그 생명이 매우 짧다. 그러나 이론적으로 DNA 분자는 그 사본 형태로 1억 년 동안 살아남을 수 있다. 7) p88
생명현상의 본질은 정보이고 이는 양자 역학을 만든 슈뢰딩거 책에서 그 핵심 개념으로 네겐트로피와 코드 두 가지를 들 수 있다. 네겐트로피는 음의 엔트로피로서 정보에 해당하고 코드는 정보의 저장을 뜻하는 것인데 바로 DNA에 해당한다.
생명의 5가지 속성
1. 짜여있다.
2. 물질대사
3. 번식
4. 외부 자극 응답
5. 변화
이 생명체가 피나는 노력과 힘겨운 투쟁을 통해서 생명을 유지하는데 그 근원은 바로 해이다. 식물은 광합성을 통해서 해로부터 자유에너지를 직접 이용하는 반면에 동물은 이러한 식물 또는 다른 동물을 먹어서 그로부터 자유에너지를 얻는다. 인간이 '만물의 영장'이라고 환경을 마구 파괴하는 것은 매우 위험한 행동이다.
3. 마무리 글
어려운 책이지만 분명한 것은 울림이 크다. 최무영 교수님께서 우리에게 전달하려는 메시지는 다양한 학문 영역에서 전문화된 학문적 경계를 허물고 물질, 생명, 사회 현상을 하나의 틀로 아울러 해석하는 통합 과학적 사고를 해야 한다고 말한다. 인공지능에 대한 이해와 인간이 환원론적 기계로 인식되지 않도록 깊은 사유와 통찰을 키워야 한다. 그리고 과학의 올바른 활용을 위해서 과학에 대한 관심과 이해도 필요하다. 단순히 과학적 지식이 아니라 합리주의로서 과학적 사고가 무엇보다도 필요함을 강조한다. 끝으로 이 책을 통해서 나는 어떠한 큰 궤를 관통한 느낌이 들었다. 나의 사고가 확장이 되고 복잡계를 이해하는데 큰 도움이 되었다. 책이 주는 중압감을 견뎌내며 글을 쓴 것에 방점을 찍으면서 이번 서평을 마무리하겠다. 긴 글 읽어 주어서 감사합니다.
< 참고 문헌>
1. <entropy> , 제레미 리프킨, 세종연구원, 2014
2. <entropy> , 제레미 리프킨, 세종연구원, 2014
3. <entropy> , 제레미 리프킨, 세종연구원, 2014
4. <최무영 교수의 물리학 강의>, 최무영, 책갈피, 2019
5. <최무영 교수의 물리학 강의>, 최무영, 책갈피, 2019
6. <최무영 교수의 물리학 강의>, 최무영, 책갈피, 2019
7. <이기적 유전자>, 리처드 도킨스, 을유문화사, 2013
