과학, 알고싶다(201) — 엔트로피(entropy)의 의미

엔트로피가 의미하는 바를 간단히 요약하면 다음과 같다(주의 — 표준국어사전에 따르면 엔트로피는, 1. 열의 이동과 더불어 유효하게 이용할 수 있는 에너지의 감소 정도나 무효 에너지의 증가 정도를 나타내는 양, 2. 정보를 내보내는 근원의 불확실도를 나타내는 양, 3. 정보량의 기대치를 이르는 말이며, 흔히 일반인들에게 무질서도라고 알려져 있다. 엔트로피가 반드시 무질서도를 뜻하지는 않지만, 여기서는 편의상 엔트로피와 동일한 의미로 무질서도라는 단어를 사용한다.).

• 엔트로피는 계(system)의 유용하지 않은 에너지의 흐름을 설명할 때 이용되는 상태함수(state function)로, 통계역학적으로 주어진 거시적 상태에 대응하는 미시적 상태의 수의 로그로 생각할 수 있다(Boltzmann’s entropy formula, 엔트로피의 열역학적 의미에 대해서는 추가 포스팅 예정임.). 열역학 제2법칙이란 전체 계의 엔트로피가 항상 증가하는 방향으로 변화가 일어난다는 법칙이다.

• 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다.

• 열효율이 100%인 열기관은 존재하지 않는다.

• 열역학 제2법칙이 이야기하는 엔트로피의 증가는 시간의 방향성을 의미한다(여기에 대해서, 시간의 화살(arrow of time)을 열역학적 시간의 화살, 심리학적 시간의 화살, 우주학적 시간의 화살로 구분한 후, 심리학적 시간의 화살은 우리의 주관적인 감각을 의존하고, 이와 같은 심리학적인 시간의 화살의 방향은 열역학적 시간의 화살의 방향과 일치한다, 그래서 우리는 엔트로피가 증가하는 방향으로 시간을 측정할 수 밖에 없다는 주장이 있다. 즉, 열역학적 시간의 화살과 심리학적 시간의 화살은 서로 간에 동의반복의 관계에 있다는 의미이다. 그렇지만, 우주학적 시간의 화살 역시 한쪽으로만 흐르는 방향성을 가진다는 의견이 많은 과학자들의 지지를 받고 있다.).

• 생명체는 각각의 고유한 낮은 엔트로피로 태어나 엔트로피가 증가하면서 성숙하고, 그 생명체 고유의 최대 엔트로피에서 죽는다. 즉, 죽음은 궁극적인 무질서, 최대 엔트로피(엔트로피 변화 또는 증가가 더이상 일어나지 않을 때의 엔트로피 값)이다.

• 그렇다면 생명체의 생명력(즉, 죽음과의 거리)은 그 생명체의 최대 엔트로피로부터의 엔트로피 거리이다.

• 생명체는 엔트로피 증가를 억제하고자 하지만, 자연계 전체의 엔트로피는 증가한다. 즉, 생명체는 현재 상태를 유지하기 위해(즉, 엔트로피 증가를 억제하기 위해) 에너지의 공급을 계속 필요로 하면서도 열역학 2법칙을 따를 수 밖에 없는 존재이다.

• 엔트로피는 정보 또는 조직의 무질서에 대응하는 값이라고 볼 수 있다.

• 엔트로피 증가는 통제력을 상실을 의미하기 때문에 죽음에 가까워질수록 최대치에 가까워지는 경향이 있다.

• “생명력 엔트로피”는 현재 엔트로피 상태에서 최대 엔트로피를 뺀 값이다.

• 생명력 엔트로피의 시간에 따른 변화율은 나이가 들면서 감소하고(즉, 변화율이 줄어들고) 죽음에 가까워지면 0에 가까워진다. 노령화된 경우 생명력 엔트로피의 시간에 따른 변화율 감소는 침체와 전반적인 활력 저하를 의미할 수 있다.

• 최대 엔트로피 달성은 무작위 프로세스이다.

• 엔트로피의 증가는 정보의 손실을 의미한다(Shannon’s entropy, 클로드 섀논의 정보이론).

• 최대 엔트로피는 모든 것이 동일할 때(즉, 평형일 때 또는 균질화되었을 때), 다시 말하면 임의성이 최대치에 있을 때이다.

• 어떤 사건의 엔트로피가 크다는 것은 그 사건이 발생할 확률이 크다는 것을 의미한다.

• 살아있는 유기체와 기업, 국가 및 문명과 같은 소위 무생물 시스템은 유사한 조직이라고 볼 수 있으며, 엔트로피 의존자로서 탄생하고, 살고, 성장하고, 진화하고, 늙고, 죽어간다. 하나의 정지 상태(최소 엔트로피 생성)에서 다음 정지 상태(또 다른 최소 엔트로피 생성)로, 조금씩 최대 엔트로피를 향해서 변화해 가는 것이다. 그렇지만, 최대 엔트로피 상태가 아닌 일시적 평형상태에 있게 되어 마치 더 이상의 변화는 없는 것처럼 보이는 경우가 있을 수도 있다(예를 들어 우주에 대한 정상상태론에 대해서 생각해 보라.).

• 최초의 우주는 우연히 비평형인 상태로 태어났다(아주 뜨거운 빅뱅(hot big bang) 이론에 따르면, 초기 우주에서는 한 지역에서  다른 지역으로 열이 충분한 시간을 가지고 흐르지 못 한 비대칭 상태의 열 분포를 가진 상태에서 급작스런 팽창이 일어나게 되었다고 한다.).