열은 무질서한 운동입니다. 수증기 분자를 자세히 관찰해보면 성난 벌 떼처럼 혼란스럽게 움직이는 모습을 볼 수 있습니다. 뜨겁게 달군 강철 막대의 분자를 살펴보면 분자가 고정된 자리에서 무작위로 흔들리는 모습이 보입니다. 그와 반대로 일은 질서가 있는 운동입니다. 피스톤이 움직이고, 팔 근육이 수축할 때는 수많은 원자가 일사불란하게 한 몸처럼 움직입니다.
그럼 용기 안에 들어 있는 수증기가 피스톤을 밀 때 일어나는 일을 관찰해봅시다. 수증기 분자들은 양철 지붕 위에 떨어지는 엄청나게 많은 빗방울처럼 피스톤에 부딪칩니다. 분자 한 개의 힘은 미약하지만 모든 분자의 힘을 합치면 묵직한 피스톤을 밀어내는 엄청난 일을 해냅니다.
이제는 온도를 '원자처럼 물체를 구성하는 아주 작은 요소의 평균 속도를 나타내는 단위'라고 정의하겠습니다. 온도가 높은 물체는 원자가 빨리 움직이고 온도가 낮은 물체는 원자가 느리게 움직입니다. 자신의 약한 미는 힘을 피스톤에 나누어준 수증기 분자는 운동하는 데 필요한 에너지를 조금 잃고 속도가 느려집니다. 피스톤에 일을 한 대가로 분자의 평균 속도가 떨어지기 때문입니다. 즉, 수증기의 온도가 하락하는 것입니다.
미묘한 점은, 수증기 분자의 운동은 지구와 태양의 관계를 연상시킵니다. 그리고 과학의 역사에서 가장 심오한 통찰로 뽑히는 열역학 제2법칙을 떠오르게 합니다.
증가하는 엔트로피
엔트로피를 정의하면 수증기가 가득 찬 용기와 같은 하나의 계(system)에서 나타나는 미시적인 무질서의 정도라고 할 수 있습니다. 온도는 원자가 얼마나 활발하게 움직이는가를 나타내는 단위입니다. 온도가 낮은 물체에 열을 가하면 도서관에서 재채기하는 것과 같습니다. 효과가 아주 크게 나타나기 때문에 주실서도, 즉 엔트로피는 아주 많이 증가합니다. 온도가 높은 물체는 이와 다른 결과를 보입니다. 온도가 낮은 물체에 가한 것과 같은 양의 열을 가하더라도 쇼핑센터에서 붐비는 곳에서 재채기하는 것 같이 효과가 그다지 크지 않습니다. 즉 무질서도인 엔트로피는 적게 증가합니다.
우리의 일반적인 믿음과 달리 지구에 에너지 위기란 없습니다. 본질적으로 지구는 태양이 보내는 순에너지를 사용하지 않기 때문입니다. 지구가 겪고 있는 일은 사실 엔트로피 위기입니다. 열이 일을 하면 열의 온도는 낮아집니다. 이것은 곧 무질서도가 증가하고, 에너지의 질은 맞아져 할 수 있는 히의 양이 줄어든다는 뜻과 같습니다.
무질서는 우주로 향한다
열역학 제2법칙에서 증가한다고 명시한 것은 전체 엔트로피입니다. 이것이 바로 앞 질문에 대한 대답입니다. 세포가 탄생할 때는 세포막과 세포소기관을 만드는 화학 반응이 일어나고, 당연히 열이 발생합니다. 세포를 조립할 때 발생하는 열은 세포의 엔트로피는 낮추고 세포를 둘러싼 환경의 엔트로피를 높입니다. 생명은 자신의 무질서를 우주에 떠넘깁니다.
지구에서 발생하는 모든 과정이 태양과 지구의 온도차 때문에 생기는 것처럼 우주에서 일어나는 모든 과정은 궁극적으로 뜨거운 항성과 차가운 우주 공간의 온도 차이 때문에 생깁니다. 화창한 밤에 야외에 나가 별을 보면 이 사실이 떠오를 것입니다.
모든 것은 환상과 같다
현재 우리가 아는 대로라면 우주가 맞이할 그런 끔직한 운명을 피할 방법은 없습니다. 한 가지 흥미로운 질문이 떠오릅니다. 현재 우주는 열적 죽음에 어느 정도로 다가온 것일까요? 답은 '우리가 상상하는 것보다 훨씬 가깝다'입니다. 우주 전역에서 엄청난 수의 별들이 무작위로 별빛을 발산하며 우주에 무질서를 더하는 것처럼 보이지만, 그것은 그저 환상입니다. 사실 우주의 무질서는 대부분 빅뱅의 불덩어리가 남긴 잔광에 붙잡혀 있습니다. 놀라운 사실은 빅뱅 이후 138억 년이 지났지만 우주 배경 복사는 지금도 우주의 모든 구멍에서 흘러나오고 있습니다. 138억 년 동안 우주는 팽창하면서 아주 차가워졌기 때문에 우주 배경 복사는 이제 맨눈으로는 보지 못하는 원적외선이 되었다고 여길 수 있습니다. 항성에서 나오는 빛의 광자(photon)의 양은 우주 전체 광자 양의 0.1퍼센트밖에 되지 않습니다. 나머지 99.9퍼센트는 우주 배경 복사가 차지합니다.