엔트로피라는 말은 1850년대 초 독일의 과학자 루돌프 클라우지우스(R. Clausius)가 처음으로 사용한 개념이다. ‘energy’라는 말과 그리스어 ‘tropy(향성)’을 합성하여 만든 이 용어는 자연의 물질계의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나이다. 자연현상이 자발적으로 변화하는 방향이 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나는데, 이를 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 그리고 엔트로피가 감소하는 방향은 비자발적인 현상으로 정의한다.

일반적으로 자연현상의 변화는 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다. 온도차가 있는 어떤 두개의 물체를 서로 접촉시켰을 때, 열 q가 고온부분에서 저온부분로 흐른다고 하면 고온부(T1)의 엔트로피는 q/T1만큼 감소하고, 저온부(T2)의 엔트로피는 q/T2만큼 증가하므로, 전체의 엔트로피는 이 변화를 통하여 증가한다. 반대로 냉동기의 저온부에서 열을 빼앗아 고온부로 방출하는 과정처럼 자연현상에 역행하는 과정에서 어느 한부분에서는 엔트로피가 감소하지만, 전체적으로는 냉동기를 작동시키는 모터 내에서 전류가 열로 바뀌게 되므로 전체로서는 엔트로피가 증가한다. 예를 들면, 실내 냉방기가 설치된 건물들 밖으로 열을 실외로 배출하는 도로에서는 실내의 온도 하강보다 실외의 온도 상승이 훨씬 많아져서 결과적으로 실내외의 전체 온도의 상승은 더욱 증가하게 되는 것과 같다. 이렇게 볼 때 자연현상은 일부에서 엔트로피가 감소하는 비자연적 변화를 따르는 것도 있지만, 전체를 다루어 보면, 항상 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다는 것을 알 수 있다.

  통계역학의 입장에서 보면 엔트로피는 열역학01적인 확률을 나타내는 양이다. 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은, 질서 있는 상태로부터 확률이 큰 무질서한 상태로 이동해 가는 자연현상으로 해석한다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적 운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은 무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 자발적으로 일어나지 않는다.

  우리는 에너지를 자유롭게 형태를 바꾸어 사용할 수 있고 변환시킬 수도 있지만 그때마다 반드시 상응하는 대가를 치르게 된다. 이 대가란 본래 그 에너지의 형태가 가지고 있는 일할 수 있는 잠재능력, 즉 퍼텐셜(potential)의 상실이라고 표현한다. 생명체는 주위 환경으로부터 자유에너지를 흡수함으로써 엔트로피가 반대방향으로 변할 수 있다. 이러한 대부분의 자유에너지원은 바로 태양이다. 식물은 광합성을 함으로써 직접적으로, 동물은 식물이나 다른 동물을 먹음으로써 간접적으로 태양에 생존을 의존하고 있다. 노벨상 수상자인 양자 물리학자 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 “주위로부터 음의 엔트로피를 계속해서 얻음으로써 모든 생물은 살아간다. 유기체가 먹고 사는 것은 바로 음의 엔트로피이다. 생물은 주위로부터 질서를 흡수한다.”라 말했다.

모든 생명체 내에는 평형을 향해서 움직이려는 자연적인 경향이 있다. 우리 인간들이 생각을 하거나 몸을 움직일 때는 항상 주위에 에너지를 분산시킨다. 인간은 죽음의 평형상태로 자신이 분산되는 것을 막기 위하여, 끊임없이 자유에너지(음의 엔트로피)를 주위로부터 흡수해야 한다. 생명체는 주위로부터 유용한 에너지를 계속해서 흡수함으로써 평형상태로부터 거리를 둔 상태를 유지한다. 이러한 상태를 정류상태(steady state)라고 한다. 생명체의 경우에는 엔트로피가 아니라 자유에너지 흐름에 영향을 받으며, 과학의 이러한 영역을 비평형 열역학이라고 부른다. 비평형계를 평형계와 똑같은 방법으로 설명할 수는 없지만, 이 경우에도 엔트로피는 증대한다.

  생물의 한 종(種)이 특정한 형태의 생태계에서 지나치게 전문화되면, 이 종은 주위 환경의 변화에 적응할 수 없게 된다. 환경적응에 필요한 융통성이나 다양성을 갖추지 못했기 때문이다. 인간 사회도 마찬가지이다. 현대의 사람들은 과도하게 전문화되어 있는 에너지 환경에 잘 순응되어 있기 때문에, 새로운 에너지 환경으로 변환될 경우에 필요한 융통성을 대부분 잃어버린 상태이다.

  문명이나 문화의 발달이 어느 단계에 도달하면 통합화가 시작됨을 역사학자들은 성찰해 왔다. 각 시대의 사회 구성원들은 다양한 경제적이거나 혹은 정치적 활동을 중앙에서 조절할 수 있게끔 통합하려고 노력한다. 더 이상의 통합이 불가능한 시점에 이르면 그 문명이나 문화는 붕괴된다. 그러나 이러한 시점에 도달하기 전에 중앙 통제를 강화함으로써 계속되는 위기를 해결하려고 한다. 대부분 현대 산업 국가가 이러한 경우에 해당하며, 이 이유도 엔트로피 법칙 때문이다.

  사회가 마지막 단계에 이르면 사회의 경제 조직과 정치 조직과 같은 복합 기관들은 매우 확대되고 중앙에 집중되어 있기 때문에 기관 자체를 유지하는 데 엄청난 에너지가 소비된다. 문화의 에너지 흐름을 촉진하도록 설립된 각종의 여러 제도들이 마치 기생충처럼 에너지의 대부분을 소비하게 된다. 전체 에너지 흐름이 느려지면 그 사회는 점점 위축되기 시작한다. 마지막에 이르면, 복합 기관들조차도 필요한 에너지를 얻지 못하여 유지가 불가능해지며 전체 조직이 분리되기 시작한다. 그 사회는 다른 국가나 국가 내부의 반란이나 혁명에 의하여 정복당하기 쉬워진다. 고대 이집트, 메소포타미아, 로마 문명의 흥망성쇠가 대부분 앞에서 언급한 과정들에 의해서 일어난 좋은 실증이다. 

  제레미 리프킨(Jeremy Rifkin)은 그의 저서 『엔트로피(새로운 세계관, 유전자 공학시대의 세계관)』에서 “예컨대 우리가 석탄을 캐서 사용하면 열을 얻는 대신에 원래의 석탄은 연기와 재만 남는다. 한 번 써버린 물질은 다시는 쓸 수 없는 물질, 가치가 없는 물질이 된다는 법칙이 엔트로피 법칙이다”라 말했다.

  또한 그는 “이 세상 어디에서든 사건이 일어날 때마다 이 세상의 에너지는 소비되고 총체적 엔트로피는 증가한다. 시간이 없어지고 있다는 말은 곧 사용할 수 있는 에너지가 없어지고 있다는 말이다.”라 주장했다. 인간은 기술 자체가 에너지를 발생하거나 혹은 어떤 신비한 과정을 통해서 원래에 있었던 것보다 더 많은 에너지를 첨가해 주는 것처럼 느낀다. 실제에 있어서 기술은 결코 에너지를 창조할 수는 없다. 우리의 기술이 빨리 발달할수록, 변환 과정이 빨라지게 되고, 사용 가능한 에너지도 더 빨리 분산된다. 따라서 무질서도는 더 많이 축적되게 된다. 더불어, 진보된 기술의 개발은 더욱 큰 에너지의 흐름과 인구의 증가와 더욱 큰 엔트로피 생성 과정 등을 촉진하였다. 쉽게 이용할 수 있는 자원에서 차츰 어려운 자원으로 바뀌어 가기 때문에 인간은 점점 더 복잡한 공정과 생산기술을 사용하게끔 되었다. 넓게 생태계와의 관계를 살펴보면, 결과적으로 인류의 경제 발전은 지구의 자연환경을 더욱 심하게 이용하는 방법의 발전을 의미하는 것이다.

  제레미 리프킨은 다음과 같은 결론을 도출했다. 세계의 사용 가능한 에너지의 저장량이 계속 고갈되고 있고, 우리 각자가 더 많은 에너지를 소모할수록, 우리 뒤에 오는 모든 생물들에게 이용가능한 양은 더 줄어들게 된다. 그렇다면 궁극적 도덕적 지상과제는 가능한 한 적은 에너지를 낭비하는 것이다. 그러므로 우주적 의미에서 사랑이라고 말할 때, 우리는 각자의 생명 자체의 생성과정이 되는 전체 흐름에서 뗄 수 없는 한 부분임을 인정하는 길은, 우리가 우주와 일체감이 되는 것임에 대하여 인정하는 것이다. 결국 우리 개인의 존재는 영원히 전개과정 자체의 집단적 영혼 속에 내재되는 것이다. 우리에게 남아 있는 한정된 자원을 최대한 보존하고, 생성과정을 지배하는 자연의 리듬을 최대한 존중함으로써, 앞서 간 모든 생명과 뒤이어 올 모든 생명에 대한 우리의 궁극적인 우주적 사랑을 표현함이라 할 수 있다.

  전 우주는 차치하고 태양계의 중심항성은 태양이다. 태양계의 탄생역사는 50억년 정도이고 앞으로 수명이 100억년 정도 남았다고 과학자들은 예측한다. 핵융합에 의해 발생되는 태양의 에너지도 결국 점점 소멸되고, 결국 태양이 부풀게 되어 지구를 파멸시킬 수 있다고 생각하는 과학자들은 인류가 생명을 유지할 수 있는 다른 행성을 찾아야 한다고 주장하기도 한다. 폭발적으로 증가하는 인간의 에너지 욕구를 수용하기 위해, 수십억 년 동안 태양에서 방사된 태양풍에 의해 축적된, 달 표면의 헬륨302을 채취하여 지구에서 핵융합 발전을 계획하고 그것을 대체에너지로 활용하려는 계획도 있다 한다(태양풍의 구성은 태양 코로나의 구성과 동일하다. 73%의 이온화 수소와 25%의 이온화 헬륨, 일부 불순물로 구성되어 있다. 이것들은 플라스마 형태로 존재하며, 플라스마는 95%의 이온화 수소와 4%의 이온화 헬륨, 0.5% 이하의 소수 이온으로 구성된다).

  그러나 유인원의 화석으로 밝혀진 인류의 역사가 고작 수만 년 정도임을 고려해보면, 태양계의 자연적인 엔트로피의 증가속도와 비교해 볼 때 최근 몇 세기 동안 인류에 의해 발생된 엔트로피의 증가속도는 매우 빠르게 진행되어 괄목할 만큼 크다. 자연의 순환으로 조절될 수 있는 수준을 넘어선 이산화탄소의 과다 배출로 나타난 지구 온난화와 환경오염 그리고 여러 형태 에너지의 과소비는 매우 우려할만한 상태이며 지구의 자연치유력의 한계를 넘었다고 많은 과학자들이 말하고 있다. “이제 천하 창생이 진멸할 지경에 닥쳤음에도 조금도 깨닫지 못하고 오직 재리에만 눈이 어두우니 어찌 애석하지 않으리오.”(교법 1장 1절)라는 구절에서 보듯이 인간의 욕심이 이제 극단의 지경까지 이르렀음을 알 수 있다.

  과학적 호기심으로 외계 행성에 눈을 돌리는 것보다, 먼저 태양계의 자연 붕괴 속도보다 인간에 의한 지구에 대한 정복심이 인류의 화를 자초하고 있지는 않은지, 인류가 지구의 엔트로피 증가를 지나치게 부채질 하고 있지는 않은지 먼저 곰곰이 생각해 보아야 할 시점이다.

  《대순회보》 83호

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01 열역학(thermodynamics)은 우주의 에너지, 열, 일, 엔트로피와 자연 변화의 과정에서 나타나는 자발성을 다루는 자연과학이다. Thermodynamics에서 thermo는 그리스어로 열을 뜻하며, dynamic은 그리스어로 힘 또는 역학을 의미한다. 열역학 법칙은 우주의 에너지는 일정하다는 제1법칙(에너지 보존법칙)과, 열적으로 고립된 거시계의 엔트로피는 절대 감소하지 않는다는 제2법칙(엔트로피 법칙), 절대영도(-273.15℃,0K)는 열역학적으로 생각할 수 있는 최저 온도로서 분자의 열운동이 완전히 정지한다는 제3법칙과, 그리고 두 계를 접촉하였을 때 열역학적 평형을 이루지 못한다면, 두 계 사이에 에너지나 물질의 알짜 이동이 있게 되고, 서로 열역학적 평형을 이루고 있는 두 계는 나중에 다시 접촉하였을 때도 평형을 이룬다는 제0법칙이 있다.

02 헬륨3은 원자량이 3인 헬륨을 말한다. 보통 헬륨은 양자 2개와 중성자 2개로 구성되어 있는데 헬륨3은 헬륨보다 중성자 1개가 적다. 이런 헬륨3에 중수소(양자1개+중성자1개)를 핵융합을 시키면 헬륨으로 바뀌면서, 양자 1개가 남는데 이것이 에너지로 바뀌게 된다.