엔트로피

방을 완벽하게 정리정돈한 상태는 몇 가지 안 돼요. 책은 책꽂이에, 옷은 옷장에 가지런히 있어야만 '깨끗한 방'이라고 부를 수 있죠. 물건들의 위치와 모양이 엄격하게 정해져 있으니, 우리가 만족하는 배치의 가짓수는 아주 적어요.

하지만 어질러진 방의 모습은 어떨까요? 양말이 침대 밑에 있든 책상 위에 굴러다니든 모두 똑같이 '어질러진 방'이에요. 이처럼 어질러진 상태를 만들 수 있는 물건들의 배치 방법은 정돈된 배치보다 압도적으로 많아요.

생활하며 물건을 무작위로 옮기다 보면, 자연스럽게 경우의 수가 압도적으로 많은 상태로 이동하게 돼요. 방을 어지럽히는 보이지 않는 힘이 있어서가 아니라, 단순히 일어날 확률이 훨씬 높은 쪽으로 결과가 나타나는 것뿐이에요. 다만 방 정리는 경우의 수를 이해하기 위한 비유예요. 물건을 옮기는 건 사람이고, 실제 물리적 엔트로피는 원자·분자 수준의 배열을 다뤄요.

뜨거운 머그잔을 식탁 위에 가만히 두면 서서히 식어가요. 커피가 품고 있던 열에너지가 주변의 차가운 공기 분자들 사이로 골고루 퍼져나가기 때문이에요. 반대로 식어버린 커피가 주변 공기의 열을 저절로 끌어모아 다시 펄펄 끓는 일은 확률이 너무나 낮아서 현실에서는 사실상 일어나지 않아요.

열에너지가 작은 커피잔 안에 얌전하게 모여 있는 상태보다, 넓은 방 전체로 골고루 흩어지는 상태가 가질 수 있는 경우의 수가 훨씬 더 많아요. 에너지가 주변으로 넓게 퍼져나갈수록 전체 엔트로피는 쉼 없이 커져요.

이처럼 한 번 일어난 일이 스스로 반대로 되돌아가지 않는 일방통행 법칙을 물리학에서는 열역학 제2법칙이라고 불러요. 많은 물리학자들은 엔트로피가 늘어나는 방향이 우리가 느끼는 '시간이 과거에서 미래로 흐르는 방향'과 깊이 연결되어 있다고 봐요. 다만 이는 하나의 해석이며, 여전히 여러 견해가 논의되고 있어요.

흔히 엔트로피를 '무질서하고 지저분한 정도'라고 쉽게 설명하지만, 이는 일상적인 이해를 돕기 위한 비유일 뿐이에요. 사람 눈에 정돈되어 보이지 않는다고 해서 언제나 물리적인 엔트로피가 높은 것은 아니에요.

물리학에서 말하는 정확한 정의는 '우리가 관찰하는 겉모습을 만들어낼 수 있는 입자들의 숨은 배열 상태 수가 얼마나 많은지를 나타내는 양'이에요. 입자들이 위치와 에너지를 나누어 가질 수 있는 미시적인 경우의 수를 통계적으로 계산한 값이 바로 엔트로피의 본모습이에요. 정확히는 경우의 수에 로그를 취한 값에 비례해요(볼츠만 공식 S = k ln W).

생명체가 몸속 질서를 유지하거나 냉장고가 음식을 차갑게 보관할 수 있는 비밀도 여기에 있어요. 외부에서 에너지를 투입해 자기 내부의 엔트로피를 낮추는 대신, 주변 바깥세상에 그보다 더 많은 열과 엔트로피를 내뿜기 때문이에요. 국소적으로 질서를 만들 수는 있어도 우주 전체의 엔트로피는 언제나 계속해서 증가해요.