Part2 - 엔트로피와 시간 그리고 물질의 탄생

우주론은 지난 100년간 관측&탐사기술의 발달과 입자&양자&플라스마 물리학의 발전을 따라 그 형태를 몇 차례 변형 해왔다. 지금에 와서는 급팽창 빅뱅 모델이 가장 유력한 모델로 평가받지만 명확히 설명 못하는 부분이 많기에 아직 미완의 모델이라 할 수 있다.

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그렇다면, 우리의 한계가 거기까지인 것을 일단은 인정하고 그다음 스텝으로 '물질이 어떻게 탄생됐나?'를 이야기하고자 한다. 하지만 그전에 우선 '시간'이라는 개념을 먼저 짚고 넘어가야 이해하기가 쉽다. 시간을 설명하기 위해서는 엔트로피를 알아둘 필요가 있다.

[토막 상식] 우주론의 변화 요약: - 약 100년 전만 해도 과학계는 그 당시까지 얻은 증거를 토대로 우주가 영원불변하다고 결론 - 이후 새로운 증거가 나타나면서 우주가 끝없이 팽창하고 있다는 쪽과 - 빅뱅을 통해 폭발했다가 이후 감속 팽창 중이라는 쪽으로 갈림 - 우주배경복사를 발견함으로써 빅뱅 모델을 정통 우주론으로 채택 - 빅뱅 모델로는 설명할 수 없는 현상들이 발견되면서 급팽창 빅뱅 모델을 채택, 원시 우주가 짧은 순간에 믿을 수 없이 거대하게 팽창을 한 후 매우 적게 감속 팽창을 한다고 결론 - 기존의 감속 팽창을 뒤집고 우주가 자기의 나이 2/3가(90억 년쯤) 넘은 이후에 원인을 알 수 없는 이유로 인해 다시 가속 팽창을 시작했다고 결론 --> 현재까지의 상태

엔트로피에 대한 이야기는 열역학 제 2법칙 부터 시작한다.

 

열역학 제 2법칙(엔트로피 증가의 원리)

엔트로피 증가의 원리에서 과연 엔트로피는 무엇일까? 엔트로피를 개념적으로 설명한 자료는 많으므로 쉬운 예시를 통해 이해를 돕겠다. 자연적인 환경에서 엔트로피 값은 경우의 수가 많을수록(빈번하고 흔한), 배열의 수가 많을수록(고놈이 고놈이라 구별이 안되는) 그 값이 높다.

 

(예시) 앞뒤가 구분되는 10장의 카드를 손에 쥐고 있다가 땅바닥에 떨어트렸다고 가정해 보자. 이 행위를 몇천만 번 반복한다고 했을 때 땅바닥에 떨어진 카드가 모두 앞만 볼 확률(경우의 수가 딱 1개)보다 앞뒤가 고루 섞인 카드(경우의 수가 여러 개)가 떨어져 있을 확률이 더 높다. 카드에 번호표가 달려있지 않기에 구분도 되지 않는다면, 고루 섞인 카드는 압도적으로 흔히 볼 수 있는 경우이다. 이때 고루 섞인 카드의 엔트로피는 높은 상태이고 모두 앞면 혹은 뒷면만 바라보는 카드는 엔트로피가 낮은 상태이다.

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같은 논리를 기체 관점에서 보면 부피가 클수록(부피가 크면 방안에 고루 퍼져서 고놈이 고놈), 온도가 높을수록(고체보다는 기체가 더 자유롭게 다니면서 구분하기 힘들어짐), 압력이 높을수록(분자의 수가 더 많고, 더 잘 섞임) 엔트로피가 커진다. 이러한 상태를 무질서도 혹은 혼잡도가 높다라고 표현한다. 그리고 이렇게 혼잡도가 높아진 에너지는 저품질의 에너지이다.

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그 반대로, 혼잡도가 낮은 에너지는 고품질의 에너지라 불리운다. 모든 생물체는 고품질의 에너지에서 에너지를 뽑아 쓴 후 저품질의 에너지를 배출한다. 즉 에너지는 언제나 사용 가능한 형태에서 덜 사용 가능한 형태 쪽으로 흐르고 그 반대 방향은 갈 수 없다. (=비가역적이다)

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따라서, 고립된 시스템에서 일어나는 과정 중에 엔트로피는 동일하거나, 대체로 증가한다. 마지막으로 엔트로피의 사전적 정의를 살펴보자. --> '폐쇄된 시스템 구성 부분의 무질서 정도나 혼잡도' 즉, 엔트로피는 사용할 수 없는 에너지를 측정한 값이다.

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[토막 상식] 인간은 고품질의 에너지에서 저품질의 에너지로 변환되는 과정을 만들면서 필요한 에너지를 얻는다. 석탄을 태워 얻은 열에너지로 운동하는 증기기관처럼 우리는 매일 식사와 호흡을 통해 에너지를 흡수하고 에너지 변환 과정을 통해 동력을 얻는다. 그래서 증기기관처럼 여분의 열을 방출하지 않으면(엔트로피 리셋) 생존할 수 없다. 그래서 우리 몸은 여분의 열이 적외선의 형태로 방출된다. 출처: 브라이언그린, 엔드오브타임, 와이즈베리, 2장, 2021

 

[토막 상식] 열역학 제 0법칙(열평형의 법칙): 가장 기초적인 법칙이라서 0법칙이 아니라, 논리적으로 앞선 개념이기에 0법칙인 것이다. (1,2,3법칙이 확립된 이후에 확립됨), 열평형을 이루고 있는 두 물체 사이에서는 열의 이동이 없다를 말하는 법칙으로써, 모든 물체는 온도라는 특성을 갖고 있고 이변이 없는 한 평형상태를 유지하려는 성질을 보여준다는 의미. ​ 열역학 제 1법칙(에너지 보존의 법칙): 고립된 시스템(시스템 안팎으로 에너지가 오가지 않는)이 원래 갖고 있던 에너지는 형태는 변할 수 있어도 총량은 언제나 일정하게 보존이 된다. 이 법칙은 지금까지 알려진 세 종류의 에너지도 포괄 적용 가능하다. 동작 에너지-운동에너지, 열, 전기에너지 저장된 에너지-탄성에너지, 위치에너지, 화학적 결합 속의 에너지 정지 에너지(질량 에너지)-핵융합 반응에서 질량 손실이 열과 빛, 복사 에너지 형태로 방출되는 현상 ​ 열역학 제 2법칙(엔트로피 증가의 법칙): 위에 설명 ​ 열역학 제 3법칙(절대 0도에서 엔트로피): 네른스트-플랑크의 정리를 따른 것으로 0K에 가까워질수록 엔트로피의 변화량도 작아진다는 의미. 자연계에서는 0K가 구현되지 않고 0에 수렴만 가능하다. (따라서 엔트로피의 변화량도 0에 수렴 --> 상수 값을 가진다는 것은 계가 가지고 있던 잔류 엔트로피를 고려해야 함)

 

열역학 제 2법칙에 모순되는 우주 현상

{존 핸즈, 코스모사피엔스, 소미미디어, 2022, 250p~252p}

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아래와 같은 3가지 모순은 도대체 우주의 초기 시작이 높은 엔트로피였는지 아니면 낮은 엔트로피였는지 헷갈리게 만든다. 하지만 지구에 거주하는 우리의 입장에서 보면 눈으로 관측되는 것들의 거의 모든 것은 비가역적이므로(낮은 엔트로피에서 --> 높은 엔트로피) 참고로만 알고 있어도 좋다.

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- 빅뱅이 일어나기 전 우주의 초기 상태는 물질이 복사 에너지로부터 자발적으로 형성되고 소멸해 들어가는 기본 입자의 끓어넘치는 무질서한 플라스마로서, 너무 뜨거워 질서 정연한 구조물이 만들어질 수 없는 상태이다. 온도가 이렇게 높다면 명백히 매우 높은 엔트로피 상태여야 한다. 하지만, 엔트로피 증가의 원리에 의하면 최초의 상태는 최소 엔트로피였어야 하므로 모순이 된다. --> 열역학 제 3법칙과도 모순이 됨

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- 초기에 생성된 분자들은 무질서 상태로 우주 전역에 퍼져있다가(높은 엔트로피) 위계 구조를 이루는 패턴_은하, 별 등을 만든다(낮은 엔트로피) --> 높은 엔트로피에서 낮은 엔트로피로 가는 가역적인 현상이 발생

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-스티븐 호킹과 펜로즈 박사는 우주의 팽창을 거꾸로 되돌려서 빅뱅 당시의 물질의 조건이 블랙홀의 상태와 유사하다고 한다. (블랙홀은 표면적이 계속 넓어지기에 엔트로피도 따라서 증가한다.) 그렇다면, 빅뱅은 최대치는 아니더라도 매우 높은 엔트로피를 가지고 있는 셈이지만, 이렇게 되면 열역학 2법칙에 따라 우주 최초의 상태는 최소 엔트로피였다는 것이 모순된다.

 

시간은 왜 정방향으로 흐른다고 느끼는 것인가

{브라이언그린, 엔드오브타임, 와이즈베리, 2장, 2021}

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시간이 왜 존재하게 되었는지 그리고 그 시작이 어땠었는지는 그 누구도 알 수 없다. 시간은 그냥 늘 존재하는 것이었다.

하지만, 시간은 눈으로 볼 수도 없고 만질 수도 없는 인지적 실체이다. 한마디로, 시간은 우리가 있다고 믿고 인지하기 때문에 존재하는 것이다. 인식을 갖고 있는 생물체들은 시간을 어떻게 인지할까?

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쉽게 설명하기 위해 반대의 예를 들어보겠다. 기억력을 상실한 동물 혹은 인간은 우리처럼 시간이 지나가고 있다고 믿을 수 있을까? 처음 이 질문을 들었을 때는 당연히 인지하겠지라고 생각하겠지만, 다시 잘 생각해 보자. 조금 전까지 내가 했던 행동이 무엇이었는지 기억이 나지 않는다면, 조금 전까지의 날씨, 햇빛의 상태, 계절의 변화 등을 기억해 내지 못한다면 그 생물체에게는 항상 현재만 있다. 시간은 흐름을 인지하는 뇌 속에서만 존재하는데 현재만 느낀다면 이 생물체는 시간이 있음을(흐른다는 것을) 인지하지 못한다.

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이 예를 통해 우리는 시간을 어떻게 인지하는지 어느 정도 감을 잡게 되었다. 우리는 '과거의 기억'을 통해 시간을 인지한다. (다른 말로 하면 과거의 기억을 통해 현재 시점 기준으로 바뀐 환경을 기억해 낸다. 그리고 이 현상에는 일련의 흐름이 있다고 온몸의 감각을 통해 느낀다.)

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그렇다면, 우리의 경험(과거,현재,미래 순)은 왜 한쪽 방향으로 치우쳐 있다고 느끼는 것일까? 우리는 왜 특정 방향으로 진행되는 사건에만 익숙하고, 반대로 진행되는 사건은 볼 수 없는 걸까? 그 해답은 우주 진화의 비밀이 담긴 '엔트로피'에서 찾을 수 있다.

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열역학 제2법칙에서 봤듯이 우주 자체의 엔트로피는 항상 증가하는 경향이 있다.(미래는 과거보다 엔트로피가 높고 엔트로피는 비가역적이기에 자연상태에서는 반대로 가지 못한다) 그리고 우리는 엔트로피가 증가하는 세상에서 벗어날 수 없다. 이러한 환경이 익숙하기에 무언가가 항상 이 방향으로(과거 -> 현재 -> 미래) 진행한다고 인지한다. 또한 우리네의 기억이 만들어지는 과정에서도 엔트로피가 증가한다. (고품질의 에너지(저엔트로피)를 소모해 ATP의 형태로 동력원을 삼고 나머지 여분의 에너지는 저품질의 에너지(고엔트로피)를 발산함)

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우주 자체의 엔트로피 방향과 인간의 삶 속에서 육감으로 느끼는 엔트로피의 방향, 기억이 만들어지는 과정에서의 엔트로피 방향 이 셋이 모두 같은 방향이기에 우리는 경험이 한쪽 방향으로 치우쳐 있다고 느끼고, 이 방향에서 어색함을 느끼지 못함과 동시에 (자연스럽다고 생각하고) 매 순간 쌓이는 기억들을 통해 우리는 '시간'이 있다고 믿고 '정방향'으로 흐른다고 느낀다.

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시간의 순서에 따른 물질 결합을 말하기 전에 지금까지 연구로 밝혀낸 입자의 종류가 어떻게 되는지 살펴보고 우주의 기본 4가지 힘이 어떤지 알아보자.

[토막 상식] 시간 의식: 인간의 뇌는 기억이라는 공간적 배열을 동적으로 바꾸면서 외부 환경의 변화하는 이미지를 만든다. 사물과 사건에 대한 이미지를 지속적으로 재배열함으로써 제한된 공간에서 시간 의식이 출현한다.

 

입자의 종류

{https://ahopsi.com/세상을-이루는-신의-입자-힉스의-발견}

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원자부터 시작해서 기본입자들에 대해 간략히 설명하면 아래와 같다.

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(1) 원자: 원자핵과 그 주위 궤도를 도는 전자로 이루어짐

(2) 원자핵: 양성자와 중성자가 결합한 구조이다. 헬륨 원자의 경우 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어져 있고 그 주위에 2개의 전자가 돌고 있다.

(3) 전자: (-) 전하를 가지며 더 쪼갤 수 있는 더 이상 쪼갤 수 없는 렙톤 중의 하나이다. 양성자는 (+) 전하를 띄고 전자는 (-) 전하를 띄기 때문에 전기적으로 원자는 중성이다.

(4) 양성자: +2/3의 전하를 띄는 업 쿼크(u) 2개와 -1/3의 전하를 띄는 다운 쿼크(d) 1개의 조합으로 이루어져 +1의 전하의 띄는 물질, 각각의 쿼크끼리의 결합은 보손 입자 중 하나인 글루온(g)이 접착제 역할을 한다. 전자보다 1836배 무거우며 다른 말로는 수소 이온이라고 한다. (수소 원자에서 전자가 하나 빠져나가 +1의 양성을 띄므로)

(5) 중성자: -1/3의 전하를 띄는 다운 쿼크(d) 2개와 +2/3의 전하를 띄는 업 쿼크(u) 1개의 조합으로 이루어져 0의 전하(중성)를 띄는 물질, 각각의 쿼크끼리의 결합은 보손 입자 중 하나인 글루온(g)이 접착제 역할을 한다.

[토막 상식] 파울리의 배타 원리: 두 개 이상의 입자가 동일한 시간과 장소에서 존재할 수 없다 페르미온 입자: 파울리의 배타 원리를 따르는 입자(예: 양성자, 중성자, 전자 --> 중첩 불가, 반발력 생김) 보손 입자: 파울리의 배타 원리를 따르지 않는 입자 (예: 광자 --> 중첩 가능)

(6) 쿼크: 물질의 가장 기본 입자로써(중입자) 우주의 4가지 기본 힘인 강한 핵력 & 전자기력 & 약한 핵력, 중력에 모두 관여하고 있다. --> 상대적으로 무거움

(7) 렙톤: 물질의 가장 기본 입자로써(경입자) 전자기력, 약한 핵력, 중력의 작용에 관여한다. --> 상대적으로 가벼움

원자
원자핵		전자(렙톤 중에 하나)	​
양성자(쿼크의 조합으로 구성됨)	중성자(쿼크의 조합으로 구성됨)	​	​
페르미온 입자(원자를 실질적으로 구성)​			보손 입자(힘의 전달)​
쿼크 (6가지)	렙톤(6가지)		광자 & 글루온 & 보손 Z and W & 힉스 보손
u, d, c, s, t, b	e(전자), u, t, v_e, v_u, v_t		g, r, z, w, h

 

우주의 4가지 근본적인 힘

우주를 이루는 힘에는 4가지가 있다.

(1) 중력: 모든 입자들 간에 일어나는 즉각적인 상호작용의 힘이다. 가장 약한 힘 (거리에 반비례하며 범위는 무한대)

(2) 전자기력: 전하를 띄는 두 입자들 간 상호작용의 힘이다. 2번째로 강한 힘 (거리에 반비례하며 범위는 무한대)

(3) 강력(강한 핵력): 쿼크들을 붙잡아 양성자, 중성자를 형성하고 그 둘을 결합시켜 원자핵을 형성하는 힘.

==> 양의 전하 값을 가진 양성자들의 전기적 척력을 극복하는 힘, 가장 강한 힘 (범위는 원자핵 정도)

(4) 약력(약한 핵): 인력 & 척력 등의 효과를 만들지 않고 입자를 변화시키는(방사성 붕괴) 일을 한다. 예로는 베타 붕괴가 있다. 세 번째로 강한 힘

 

시간에 따른 빅뱅 초기의 입자 결합 = 물질의 탄생

다시 급팽창 빅뱅 모델로 돌아와서, 우주에 처음으로 '시간'이 존재했을 법한 시점을 살펴보자. 아래 그림에는 이른바 hot bigbang (inflation이후 진행된 빅뱅)이후를 기준으로 10^(-43)초가 지나기 이전 (그 어떤 유의미한 논의도 불가한 시점)부터 시작해서 현대의 우주가 생기기까지 생겼던 이벤트를 자세히 묘사해 놨다.

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우리가 공식적으로 '시간'이라고 언급할 수 있는 시점은 이때 시작한다.

각 시점 별 밀도와 온도도 알면 좋겠지만, 꽤나 복잡하니 물질의 관점에서만 축약하자면 아래와 같다.

(시간 순으로 생긴 이벤트를 차례대로 적어놨다.)

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(1) 빅뱅 이후 (온도는 10^15K) 글루온과 쿼크, 전자 등의 기본 입자가 탄생

(2) 쿼크의 결합으로 양성자, 중성자 탄생

(3) 양성자와 중성자의 충돌로 광자가 방출

(4) 뜨거운 온도로 인해 양성자와 중성자 간의 핵 합성이 일어나서 아래의 원자핵이 탄생

[토막 상식] 1 양성자: 수소 이온 1 양성자 + 1 중성자: 중수소 1 양성자 + 2 중성자: 삼중수소 2 양성자 + 1 중성자: 헬륨-3 2 양성자 + 2 중성자: 헬륨-4 3 양성자 + 4 중성자: 리튬-7

출처: Astronomy.com

 

(5) 온도가 아직 뜨거운 상태라 광자 복사에너지를 내는 중성의 플라스마 상태로 양성자와 전자가 공존한다.

[토막 상식] 플라스마 상태: 고체, 액체, 기체를 넘어선 물질의 4번째 상태를 말한다. 온도가 매우 높은 상태에서는 기체 분자가 원자로 분리되고 원자는 원자핵(이온)과 전자로 바뀐다. 한 기체 집단에서 모두 분리되긴 어려우니 일부 중성으로 남아있는(Radial) 원자들도 있지만 상대적으로 이온화도가 매우 높은 상태이다. 다만 양성자와 전자의 수가 거의 같기에 중성을 띈다.

(6) 온도가 3000K까지 식으면 기체 상태로 존재가 가능해져서, 전자를 원자핵이 붙잡아 둘 수 있기에 안정적인 수소 분자(공유결합 H2), 중수소, 헬륨 원자, 극미량의 리튬 등이 전기적으로 중성을 형성할 때까지 냉각된다. (원자가 생성되면서 빛이 전자의 방해를 받지 않고 직진할 수 있게 되어 우주 배경 복사가 방출됨 - 온도 3K)

출처: Astronomy.com

(7) 이렇게 생긴 분자 구름은 넓어져가는 우주 공간 속에 대부분 균일하게 퍼져 나갔지만, 그중에서도 일부 밀도 차이(입자 한 개의 밀도가 아닌 분포 밀도 - 공간에 얼마나 많이 분포하고 있는지)를 보이는 곳이 생겼다.

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이 미세한 밀도 차이가 쌓이고 쌓여 우리의 고향을 만들게 된다.

Part3에서는 '지구'의 탄생과 태양계 내에서 우연치 않게 생명이 자랄 수 있던 배경이 무엇인지 살펴보겠다.

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<참조한 서적>

• 엔드오브타임(브라이언 그린, 와이즈베리, 2021.02.15.)
  
• 코스모사피엔스(존 핸즈, 소미미디어, 2022.01.27.)

본 글은 네이버 블로그에서 발행했던 글입니다. https://m.blog.naver.com/gb145/222822971975