Caffeine - 양요섭 {열역학 제2법칙, 영구 기관}

중요한 건 눈에 보이지 않아.

 

「어린 왕자」에서 여우는 이별을 앞두고 한 가지 비밀을 전합니다. 서로에게 유일한 존재가 되는 과정에서, 눈으로 확인할 수 있는 변화는 거의 없다는 것을, 장미가 특별한 이유는 눈에 띄는 모양이나 색 때문이 아니라, 그 장미를 위해 쏟아부은 시간과 마음, 다시 말해 눈에 보이지 않는 기다림과 책임이 만들어 낸 관계의 역학 때문이라는 것을요. 이를 관통하는 말이 바로 "중요한 건 눈에 보이지 않아."입니다.

 

이 시간에 살펴볼 물리학의 법칙도 이와 닮아 있습니다. 겉으로 드러난 움직임 뒤에서 작동하는 보이지 않는 흐름과 축적, 그리고 반드시 치러지는 대가들이 만들어 낸 관계의 역학이에요. 이 시간에 법칙의 학습은 물론, 삶을 대하는 우리의 태도를 함께 돌아보는 시간이 될 것입니다.

 

 

물리학에서 다루는 많은 법칙들은 시간의 방향과 무관하게 성립합니다. 예를 들어 F = ma와 같은 뉴턴의 운동 법칙은 시간을 거꾸로 돌린다고 해서 틀려지지 않아요. 어떤 물체가 높은 곳에서 떨어지는 모습을 촬영했다고 가정해 봅시다. 이 영상을 거꾸로 재생하면 물체가 아래에서 위로 올라가는 장면이 보일 거예요. 우리는 이를 보고 “누군가가 물체를 위로 던졌구나”라고 생각할 뿐, 영상이 거꾸로 재생되고 있다는 사실을 쉽게 알아차리지는 못합니다. 이처럼 힘과 운동에 관한 법칙들은 시간의 방향을 구분하지 않는, 즉 시간에 대해 대칭적인 성질을 가집니다.

 

그러나 모든 물리 법칙이 이렇게 시간에 대해 대칭적이지는 않아요. 그중 대표적인 것이 열역학 제2법칙입니다. 이 법칙은 자연 현상이 한쪽 방향으로만 진행된다는 사실을 설명합니다. 그 방향이란 바야흐로 무질서한 상태가 점점 증가함을 추구해요.

 

 

이 때문에 불을 피울 때 흩어지는 연기, 깨지는 유리잔, 왕복 운동하다가 정지하는 진자를 촬영한 영상을 거꾸로 재생하면 우리는 즉시 “뭔가 이상하다”라고 느끼게 됩니다. 바로 이것이 열역학 제2법칙이 만들어내는 자연의 방향성, 즉 우리가 느끼는 ‘자연의 일방통행’입니다.

 

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중세의 연금술은 당시에는 비과학적인 시도로 여겨졌지만, 근대의 질량 에너지 등가 원리를 토대로 현대의 인공 태양이라는 과학 기술로 승화될 수 있었습니다. 연금술은 과거에는 이해되지 않았던 현상이었지만 새로운 이론을 통해 자연법칙 안에서 설명되고 검증되었기 때문이에요. 그러나 영구 기관은 이와 다릅니다. 영구 기관은 외부의 에너지 공급 없이 에너지를 만들어내거나, 에너지 흐름의 자연스러운 방향을 거스르려는 장치로 에너지 보존 법칙과 열역학 법칙이라는 자연법칙을 벗어나는 경우죠. 이처럼 영구 기관은 자연법칙이 허용하는 한계를 벗어났기에 과학의 발전으로 언젠가 가능해질 대상이 결코 아닙니다. 

 

그럼에도 불구하고 역사적으로 영구 기관을 만들었다고 주장하는 사례가 반복적으로 등장한 이유는 이러한 장치가 실현된다면 막대한 이익을 가져다줄 것이라는 기대 때문이었어요. 일부 사람들은 이 점을 이용해 부유층이나 권력자의 관심과 후원을 끌어내고자 했고, 그 결과 영구 기관은 과학의 대상이기보다는 사기의 수단으로 등장하는 경우가 많았습니다.

 

18세기 초, 독일에는 오르피레우스라는 인물이 자동으로 돌아가는 바퀴를 만들었다고 주장하며 큰 주목을 받은 적이 있습니다. 그는 크고 작은 톱니바퀴와 추의 낙하를 교묘하게 연결해, 외부의 동력 없이도 바퀴가 영원히 회전할 수 있다고 설명했어요. 겉보기에는 매우 그럴듯한 장치였지만 실제로는 핵심 구조를 가린 채 장치 안에 숨어 있던 사람이 밧줄을 잡아당기는 방식으로 바퀴를 움직이는 속임수였습니다. 오르피레우스는 여러 나라의 귀족과 부유층으로부터 거액의 후원을 받으며 호사스러운 생활을 누렸어요. 그러나 결국 그의 속임수가 드러나면서 사기극은 막을 내리게 되었습니다.

 

이 사례가 보여 주는 핵심은 분명합니다. 겉보기에 동력이 없어도 작동하는 것처럼 보일지라도, 실제로는 보이지 않는 곳에서 반드시 누군가 또는 무언가가 일을 하고 있다는 사실. '어린 왕자'의 여우가 어린 왕자에게 건넨 말 한마디가 새삼스럽게 다가옵니다.

중요한 건 눈에 보이지 않아.

 

오르피레우스의 자동 바퀴를 비롯한 영구 기관은 “중요한 것은 눈에 보이지 않는다”는 사실을 잘 보여 줍니다. 이는 과학에서도 삶에서도 겉모습보다 숨은 원리와 원인을 살펴야 함을 일깨워 줍니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=WA5up78Aypo&list=RDWA5up78Aypo&start_radio=1

 

카페인, 피로 사회를 살아가는 우리에게 활력을 불어넣어 주는 고마운 존재입니다. 아이스 아메리카노와 함께라면 활기찬 하루가 가능하지만 그건 어디까지나 느낌적인 느낌일 뿐, 보이지 않은 곳에서 자연의 법칙은 여전히 작동하고 있어요.

 

뇌는 활동하는 동안 아데노신이라는 물질을 만들어 내고, 이 아데노신이 뇌세포와 결합하면 우리는 피로를 느낍니다. 즉, 아데노신은 몸에 휴식을 요구하는 신호예요. 그런데 피곤할 때 커피를 마시면, 아데노신 대신 카페인이 뇌세포와 결합하면서 피로 신호가 일시적으로 차단됩니다. 그 결과 우리는 덜 피곤하다고 느끼지만, 실제로 피로가 사라진 것은 아니에요. 활동하는 동안 쌓인 피로는 그대로 남아 있으며, 이는 에너지가 사라지지 않고 형태만 바뀐다는 에너지 보존 법칙과 닮아 있습니다. 즉 카페인은 우리의 정신력과 체력의 총량을 늘려 주는 것이 아니라, 그 한계를 잠시 인식하지 못하게 가리기만 할 뿐입니다.

 

결국 쌓인 피로는 언젠가 반드시 되돌아와요. 그것은 회피할 수 없는 대가이며, 어떤 방식으로든 치러져야 합니다. 그 대가는 충분한 수면과 잠깐의 휴식이라는 형태로만 정직하게 지불될 수 있어요. 피로를 속여 넘기는 빠른 길은 없습니다. 다만 피로를 다스리는 바른 길만 있을 뿐이죠. 이는 에너지가 한 방향으로만 흐르듯, 올바른 흐름을 따를 때에만 지속이 가능하다는 열역학 제2법칙이 우리 삶에 건네는 조용한 메시지이기도 합니다. 양요섭의 Caffeine을 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.