[김병민의 사이언스 빌리지] 영화 '테넷'처럼 엔트로피 인버전을 꿈꾸는 사람들

김병민 과학저술가

비어 있는 탄창을 결합해 총을 벽으로 겨누자 폭발음과 함께 벽에 박힌 총알이 거꾸로 날아와 탄창에 장전됩니다. 흩어진 연기와 재가 모여 불꽃이 일지만 열을 흡수해 화재현장 주변은 얼고 맙니다. 사람은 산소를 흡입하고 이산화탄소를 배출하는 게 상식인데 거꾸로 이산화탄소를 들이마시고 산소를 토해내죠. 자동차도 이산화탄소를 빨아들여 산소는 분리하고 남은 탄소를 결합해 연료로 만들며 거꾸로 달려갑니다. 우리가 알고 있는 모든 물리화학적 운동과 현상이 반대인 세상입니다. 이런 세상이 과연 가능할까요?

이런 이상한 세상은 최근 대중뿐 아니라 과학자들 사이에서도 화제가 된 크리스토퍼 놀런 감독의 영화 '테넷'에 나오는 장면입니다. 놀런의 영화라면 한 번도 안 본 사람은 있어도 한 번만 본 사람은 없다고 말할 만큼 난해한 각본으로 유명하죠.

'테넷'을 관통하는 맥락은 '엔트로피 인버전(Entropy inversion)'입니다. 과학에서 '엔트로피'는 일반인이 이해하기 쉽지 않은 개념 중 하나입니다. 그런데 '인버전'이니 이 개념이 뒤집혔다는 뜻입니다. 어려운 것을 뒤집었으니 오히려 이해하기 쉬울까요?

엔트로피 개념을 처음 꺼낸 사람은 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스(1822~1888)입니다. 그는 1850년대 초 이를 열역학 법칙에 도입했습니다. 이후 통계물리학과 양자역학에서도 엔트로피를 정의해 확률적 분포에 대해 설명했습니다. 심지어 블랙홀을 설명하는 데도 엔트로피는 유용하게 사용되고 있습니다.

엔트로피는 열역학 제2법칙에서 다뤄집니다. 두 번째 법칙이 있다면 당연히 다른 법칙도 있겠죠. 제1법칙은 대다수 사람이 익히 들어 알고 있는 '에너지 보존 법칙'입니다.

대다수는 이 법칙이 대략 어떤 의미인지 알고 있습니다. 어떤 범위 내에서 에너지의 형태가 서로 다르지만 절대적 총량은 변하지 않는다는 거죠. 간혹 이 범위를 삶에 빗대곤 합니다. 삶에서 사람들에게 다가오는 희로애락이라는 감정이 결국 크고 작음의 차이일 뿐 그 총량은 변하지 않는다는 비유죠.

누구나 색깔은 다르지만 고통과 희망의 총량이 같다는 해석으로 위안받곤 합니다. 물론 이런 비유로 열역학 법칙에 대해 포괄적으로 이해할 수는 있습니다. 하지만 과학이나 공학을 다루는 사람들 말고 이런 과학법칙에 대해 엄밀하게 설명하기란 어렵습니다.

특히 열역학 법칙에서는 '계(system)'라는 특정 조건을 다룹니다. 계는 열역학 법칙에 대해 정의하는 데 조건 충족 영역이나 범위를 의미합니다. 희로애락의 총량에서 '삶'이 계와 유사한 개념입니다. 그래서 제1법칙도 엄밀하게는 '고립계에서 에너지는 보존된다'고 정의합니다. 고립계에서는 계의 바깥인 '주위(surroundings)'와 에너지나 물질의 출입이 단절돼 있으니 계 내부의 에너지가 보존되는 것은 당연하다고 정의하죠.

엔트로피 인버전이란?
뜨거운 물에 퍼지는 커피 입자, 엔트로피 법칙따라 무질서해지지만
커피·설탕 입자로 못 돌아가는 현상…인버전은 이 개념이 뒤집혔다는 뜻

재난 영화 닮은 코로나 현 상황 폭넓은 융합과학인 역학조사가 답

이제 열역학 제2법칙인 엔트로피를 볼까요? 엔트로피란 용어는 자연에서 일어나는 '변화의 방향'을 말해주는 물리량으로 사용됩니다. 변화의 방향이 어떤 의미인지 예를 들어 보죠. 뜨거운 물이 담긴 컵에 인스턴트 커피를 떨어뜨립니다. 그러면 커피와 설탕 알갱이가 물 속에서 퍼집니다. 극성을 지닌 물분자의 충돌로 입자들은 쪼개져 흩어지며 컵 전체에 고루 퍼지겠죠. 우리는 이를 '녹는다'고 표현합니다. 시간이 지나면 뜨거운 커피가 식어갑니다. 컵이라는 계의 외부계와 열교환이 이뤄지며 온도가 낮아지는 겁니다.

이런 변화는 우리가 사는 세계에서 전혀 이상한 게 아니라 당연한 일입니다. 그리고 물리학에서는 이 변화의 정도를 '무질서한 정도'라고 표현해 엔트로피에 대해 정의합니다. 무질서는 잘 정리됐거나 혹은 정렬된 상태가 흐트러지는 것을 뜻합니다.

엔트로피라는 용어는 과학 외에 다른 분야나 일상에서도 사용되곤 합니다. 간혹 물리학자들은 '엔트로피가 증가한다'는 말로 복잡한 심정이나 어지러운 주변 상황을 빗대 표현하곤 하니까요.

엔트로피 법칙에서 중요한 것은 고립계 전체의 엔트로피가 증가하지 줄진 않는다는 점입니다. 그러니까 뜨거운 물에 퍼지는 커피 입자는 점차 무질서해지는 것이고 단순했던 원래의 커피와 설탕 알갱이로 돌아갈 수 없다는 거죠.

이론적으로는 원래 알갱이로 되돌릴 수도 있습니다. 그러려면 외부에서 이 계로 에너지를 투입해 엄청난 작업에 나서야 합니다. 물을 증발시키고 남은 입자는 분리해 뭉쳐야 하죠. 물론 녹기 전 원래 상태의 알갱이 모습과 똑같이 만드는 것은 불가능에 가깝습니다. 이게 가능하면 컵이라는 계 안에서 엔트로피가 감소하게 만들 수 있습니다. 하지만 결국 계의 외부까지 포함한 더 큰 고립계에서는 이런 일을 하기 위한 에너지 생성으로 전체 엔트로피는 더 증가하게 됩니다.

정리해 보면 우리가 사는 세계인 우주 전체는 열역학 제1법칙으로 내부 에너지 총량에 변화가 없습니다. 그리고 우주 전체라는 고립계 안에서 일어나는 모든 현상과 과정은 커피 입자가 퍼지는 것처럼 무질서해지며 엔트로피가 증가하는 방향으로만 일어난다고 정의한 게 제2법칙입니다. 엔트로피가 감소하는 방향인 거꾸로 가는 것, 다시 말해 가역 과정은 좀처럼 일어나지 않죠.

그런데 우리의 모든 일상을 영상으로 찍어 거꾸로 돌려 보면 어떨까요? 잘 섞인 커피가 물과 분리돼 알갱이로 다시 모이고 식은 물의 온도는 다시 올라갑니다. 불가능할 것 같은 일이 일어날 수 있겠죠.

엔트로피를 증가시키는 방향이 아니라 거꾸로 감소시키는 방향으로 만들 수 있는 유일한 해답은 어쩌면 '시간'일지 모르겠습니다. 시간이 흐르는 방향을 거꾸로 돌리면 되는 거죠. 타임머신으로 시간여행을 하면 됩니다.

그러나 시간을 되돌릴 수 있을까요? 시간이라는 개념은 물리학자들조차 설명하기 곤혹스러운 대상입니다. 현재 인류가 아는 것은 시간이 한 방향으로 흐르고 있다는 점입니다. 아니 시간의 흐름은 우리 세계가 움직이기 때문에 정의된 건지도 모르죠. 모든 게 정지해 있다면 시간의 흐름은 의미가 없기 때문입니다.

시간여행이 불가능한 건 바로 엔트로피라는 개념 때문입니다. 그런데 엔트로피 인버전을 다룬 영화의 경우 과거와 현재, 미래라는 각 세계에서 평행이론처럼 서로 다른 엔트로피 변화가 동시에 작동합니다. 동영상을 거꾸로 돌리는 것처럼 사람과 자동차가 거꾸로 다니고 하늘의 새도 거꾸로 날아갑니다. 인버전 상태에서 불이 흡수한 에너지로 주변을 얼리고 바람의 저항과 마찰 같은 모든 물리화학적 변화의 방향은 거꾸로 작동하죠. 우리가 아는 모든 것과 반대인 이런 세상은 낯설고 이상합니다. 물론 영화는 영화일 뿐 현실에서는 불가능한 현상입니다.

강남구청 선별진료소에서 시민들이 코로나19 검사를 위해 대기하고 있다. [사진= 연합뉴스 제공]

영화 스크린이 올라가고 다시 세상으로 나왔지만 재난영화를 닮은 팬데믹은 현실이더군요. 바로 이런 생각이 들었습니다. '누군가 엔트로피 인버전을 꿈꾸지 않을까.'

최근 한 명의 거짓말이 7차 감염으로 이어져 80명 넘는 확진자를 만들었습니다. 방역 당국은 망연자실했습니다. 그리고 감염경로가 파악되지 않는 이른바 '깜깜이 환자' 비율이 높아져 방역은 한계에 부딪혔죠. 감염경로라는 정보는 사람들의 삶 그 자체입니다.

시간의 흐름은 현재를 과거에 묻어버립니다. 과거에 갇힌 삶은 볼 수 없고 정보는 사라집니다. 게다가 공공성을 외면한 이기심이 과거 정보 왜곡으로 연결의 사슬까지 끊어냅니다.

점차 불확실해지는 감염경로는 정보 엔트로피의 증가로 볼 수 있겠죠. 할 수만 있다면 영화처럼 엔트로피 인버전으로 세상을 거꾸로 돌리고 싶습니다. 그렇다면 깜깜이 환자의 감염경로부터 쉽게 찾아내 이 어려운 시기를 빨리 지날 수 있으니까요.

이런 시간여행은 현실에서 불가능합니다. 하지만 팬데믹이라는 고립계안에서 엔트로피를 감소시킬 수 있는 유일한 희망이 있습니다. 바로 역학조사관입니다. 역학조사 하면 으레 환자의 동선을 파악하는 것으로 생각하기 십상입니다. 그러나 사실 의과학ㆍ통계학에서부터 사회과학ㆍ인문학까지 폭넓은 분야에 대한 입체적 이해를 바탕으로 한 융합과학입니다.

감염이 발생하면 감염 위험을 무릅쓰고 현장으로 가장 먼저 달려가는 이가 역학조사관입니다. 우리는 분명 영화 같은 이 어려운 시기를 무사히 지날 것입니다. 영화 같은 엔트로피 인버전을 현실에서 가능하게 만드는 주인공들이 있기 때문입니다.

한림대학교 나노융합스쿨 겸임교수