후기

리딩R&D [열역학] 0526 발제_아라차

6.열역학의 전통범위를 어떻게 넘어설 수 있는가?

7.열역학은 과학에 대해 무엇을 가르쳐줄 수 있는가?

과학 법칙은 발견일까 발명일까

가능한 최대효율을 내는 이상적인 가역 순환과정은 가상의 평형상태를 전제로 한다. 엄밀히 말하면 시스템은 작동하는 동안 지속적으로 상태가 변하기 때문에 평형상태는 있을 수 없다. 어디까지나 근사치이며 허구인 것이다. 때문에 전통적인 열역학이 타당하게 적용되는 영역에 대한 암묵적 한계가 있었다. 지난 세기 동안 이런 한계는 도전받았고, 열역학의 주제가 평형상태에 있지 않은 시스템으로 확장되기 시작했다.

첫 번째 단계는 흐름을 변수로 도입하는 것이었다. 다양한 흐름들 사이의 관계를 밝힘으로써 평형에 가깝지만 평형은 아닌 시스템을 설명하고자 했다. 0이 아닌 실제 속도로 작동하는 시스템을 다룰 수 있는 새로운 방법도 찾았다. 전통적인 열역학 퍼텐셜 함수는 피할 수 없는 손실 과정에 대한 지식을 요구한다. 특정한 시간 내에 수행되는 일에서 피스톤의 마찰이라는 피할 수 없는 에너지 손실을 감안하여 유한-시간 포텐셜을 찾기도 했다. 투입된 총 에너지당 수행한 일인 효율과는 달리, 단위 시간당 전달되는 에너지의 양인 동력을 고려하기도 했다. 동력을 최대화하거나 엔트로피 생성을 최소화하기 위한 최적 제어이론을 만든 수학자도 있다. 

열역학은 이전에 그렇게 인식하지 않았던 무언가를 제어 가능한 변수로 취급할 수 있다는 사실을 알려주었다. 전통적인 변수들(온도와 부피, 밀도와 압력)이 적용될 수도 있고 유속과 같은 새로운 흐름 변수가 도입되기도 했다. 그러나 시스템이 평형과 너무 멀어지면, 즉 변수가 너무 빠르게 변해서 유용하지 않은 경우에는 열역학 방법이 개발되더라도 적용되지 못한다. 이럴 때는 전통적인 열역학과 다른 동역학을 고려하여 접근법을 찾아야 한다.

과학에서는 아이디어가 맞다는 것보다 틀렸다는 것을 보여주기가 훨씬 쉽다. 이론이나 아이디어와 모순되는 하나의 예면 충분하다. 그럼에도 불구하고 보편적으로 타당하지는 않지만 어떤 상황에서는 명확하고 정당한 타당성을 가진 개념과 이론을 잘 활용할 수 있다. 열역학이 바로 이런 경우에 해당한다. 아주 많은 기본 요소로 구성된 시스템에서는 적합한 과학이지만 일부 규칙 및 예측은 매우 적은 구성 요소의 시스템을 다룰 때 유효성을 잃는다. 같은 종류의 한계가 뉴턴역학에도 적용된다. 뉴턴역학은 야구공이나 행성을 설명하는 데 상당히 적합하고 유용하지만 양자역학을 사용해야 하는 아주 작은 원자 규모에서는 유효하지 않다. 

과학의 법칙과 과학을 자연에 대한 영구적이고 위반할 수 없는 진술로 여겨서는 안 된다. 에너지 개념만 봐도 계속 확장되고 있다. 우리는 이제 우주에는 중력을 행사하는 무언가가 퍼져 있다는 것을 안다. 그러나 그것이 무엇인지는 모르는 상태다. 암흑물질과 암흑에너지를 포함하여 설명해야 하는 단계까지 왔다. 현재까지는 에너지가 보존된다는 사실만이 깨질 수 없는 속성으로 받아들여지고 있다. 그렇다면 과연 에너지는 발견된 것일까? 아니면 인간의 정신이 발명한 것일까?(인간이 법칙을 만들어가는 것일까 아니면 있는 법칙을 발견하는 것일까)

과학은 최소한 두 종류의 지식으로 구성된다. 관찰과 실험, 그리고 실험의 해석을 통해 배운 것(이론)이 그것이다. 관측 도구는 더 강력하고 정교해지고 있으며, 이론 또한 관측과 실험을 이해할 수 있도록 발전한다. 열역학을 비롯한 과학의 모든 영역은 정지된 관찰과 해석의 고정 조합이 아니며, 끊임없이 변화하면서 새로운 종류의 경험을 포함하면서 더 넓어지고 있다. 아마도 과학의 진화에는 끝이 없을 것이다. 우리가 우주와 그 속의 무엇인가를 탐구하는 새로운 방법을 찾을 수 있는 한 과학은 계속 진화할 것이다.