'에너지보존의 법칙', 혹은 '질량보존의 법칙', 혹은 '물질 불멸의 법칙', 또는 '열역학 제 1법칙'이라고 불리는 하나의 법칙이 있다. 이 법칙이야 말로 물리학의 출발점이 된다. 말하자면 첫 단추를 꿰는 것이다. 문제는 이 법칙을 용이하게 설명해내는 사람이 없다는 점이다.
사람들은 이 법칙을 잘 알고있다고 믿고 있지만 실제로는 잘 모르고 있다. 잘 모르고 있기 때문에 이 법칙은 타 분야에 충분히 응용되지 못하고 있다. 법칙이 중요한 것은 보편성 때문이다. 보편성은 어디에나 다 적용이 된다는 것이다. 에너지보존의 법칙이 적용되지 않는 분야는 없다. 그러나 우리는 그 보편성 만큼 이 법칙을 충분히 응용하지는 못하고 있다.
우선 사람들은 '에너지' 혹은 '질량'이라는 개념을 잘 이해하지 못하고 있다. 물질이 불멸한다는 것은 상식이 있는 사람이라면 누구나 직관적으로 알고 있다. 이는 일상에서 충분히 경험할 수 있는 일이기 때문이다. 그러나 알고도 써먹지 못한다면 뭔가 문제가 있다.
문제는 '보존'이라는 추상적 개념이다. '보존된다'는 것은 '보존되지 아니하지'를 '아니한다'는 것이다. 그렇다면 보존되지 않는 경우는 도대체 어떠하길래 '보존된다'는 사실이 유독 강조되어야 하고, 또 법칙으로 정리되는고 있는가이다.
에너지는 보존된다. 그렇다면 그 반대는 경우, 곧 보존되지 않는 경우는 무엇인가? 그것은 형태를 바꾸는 것이다. 에너지가 보존된다는 것은 역으로 '에너지'가 아닐 경우, 보존되지 않고(?) 그 형태를 바꾼다는 말이다. 그러므로 물질이 겉으로는 생겨나거나 소멸하는 것처럼 보여진다는 말이다.
어떤 경우에도 물질은 불멸하여 보존된다. 그러나 어떤 경우 '마치 보존되지 않는 것처럼' 보여진다. 실제로는 보존되는데 겉으로는 보존되지 않는 것처럼 보여지는 착각이 일어나기 때문에, 이 착오를 차단하기 위하여 '보존된다'는 사실의 강조로서 열역할 제 1법칙이 요청되는 것이다.
질량보존의 법칙은 '질량'이 아닐 경우, 보존되지 않거나, 혹은 보존되지 않는 것처럼 보여진다는 뜻이다. 그렇다면 그러한 경우, 곧 질량이 아닌 물리적 상태에서 보존되지 않거나, 보존되지 않는 것처럼 보여지는 경우는 구체적으로 어떠한가에 대한 설명이 없다.
질량보존의 법칙은 더 알기쉽게 설명되어야 한다. 질량보존의 법칙은 물질이 '질량'에서 보존됨과 동시에, 물질이 '질량'의 형태가 아닐 경우 보존되지 않고 변화하는 법칙이다. 그렇다면 물질이 질량이 아닌 경우는 어떤 경우들이 있으며 그 경우들에는 어떤 형태로 보존되지 않고 혹은 보존되지 않는 것처럼 보여지는 변화를 일으키는가? 이 물음에 답해져야 한다.
우선 '질량'이라는 말은 무슨 뜻일까? '질'은 '결합하지 않는다'는 뜻이다. '양'은 '분할되지 않는다'는 뜻이다. 즉 '질량'은 '결합하지도 않고 분할되지도 않는다'는 뜻이다. 이 말은 역으로 모든 물질적 변화는 '결합과 분할' 형태로만 일어난다는 뜻이다.
질량이라는 말은 곧 '결합도 분할도 아니한다'는 뜻이다. 곧 보존이다. '질량=보존'인 것이다. 그러므로 이는 동어반복이 된다. 같은 표현을 두 번 사용한 것이다. 고로 '질량보존의 법칙'을 '질량의 법칙'이라고 줄여도 된다.
엄밀히 말하면 '질량보존의 법칙'이 아니라 '질량의 법칙'이다. '질량'이라는 말 속에 보존이라는 의미가 내포되어 있기 때문이다. 문제는 우리가 '질량'이라는 말의 의미를 잘 모른다는데 있다. 우리가 질량이라는 말의 의미를 정확히 모르므로, 동어반복하여 '질량보존'이라는 어색한 표현을 써야만 하는 것이다.
모든 변화는 결합 아니면 분할, 그리고 교환이다. 그 이외의 경우는 없다. 결합과 분할은 곧 변화다. 교환은 형태를 바꾼다. 질량은 결합하거나 분할하지 않는다. 고로 보존된다. 에너지는 교환이다. 고로 형태를 바꾸어 보존된다.
■ 질 - 결합하지 않는다>고로 보존된다.
■ 입자 - 결합한다>형태를 바꾼다>보존되지만 사람들은 겉보기의 형태가 변화하고 있기 때문에 보존되고 있음을 깨닫지 못한다>입자가 에너지로 바뀌었을 때 궁극적으로 보존된다는 사실을 깨닫게 된다.
■ 힘 - 교환된다>에너지라는 말에는 교환이라는 의미가 숨어있다>교환되므로 형태가 변하여도 궁극적으로 보존된다는 사실을 알아챌 수 있다.
■ 운동 - 분할된다>형태를 바꾼다>보존되지만 겉보기 형태가 변화하고 있으므로 보존되고 있음을 알아채지 못한다>입자와 마찬가지로 운동도 에너지로 바뀌었을 때 궁극적으로 보존된다는 사실을 깨닫게 된다.
■ 량 - 분할되지 않는다>고로 보존된다.
'에너지'라는 말은 매우 편리하다. '에너지'의 어원을 알아보면 안en+일ergy이다. 즉 겉에서는 보이지 않지만, 안에서는 뭔가 일을 하고있다는 뜻이다. 에너지라는 말에는 겉에서는 보이지 않는다는 의미가 있으므로, 겉으로는 변하는 것처럼 보이지만, 실제로는 변하지 않는다는 사실을 사람들이 알아채는 것이다.
입자나 힘도 에너지로 변한다. 에너지라는 말에 교환이라는 의미가 숨어있기 때문에 사람들은 입자나 운동으로 설명하면 잘 이해하지 못하는 것을 에너지로 바꾸어 설명하면 잘 이해하곤 한다. '석유 1리터'로 갈수 있는 거리가 어쩌구 하면 잘 이해하지 못한다. 이를 에너지로 바꾸어 '10마력의 힘'으로 표현하면 잘 이해한다. 이런 식이다. 우리는 입자라는 개념보다 에너지라는 개념에 더 익숙한 것이다.
중요한 점은 '질, 입자, 힘, 운동, 량'이라는 개념을 정확하게 알지 못하기 때문에 물리가 어렵다는 사실이다. 정확하게 개념을 짚을 수 있어야 한다. '질은 결합하지 않는다'는 뜻이다. '양은 쪼개지지 않는다'는 뜻이다. '힘(에너지)는 교환된다'는 의미다. 이러한 개념의 본질을 정확하게 이해하고 있다면, 굳이 에너지가 보존되는 이유를 설명할 필요도 없다. 에너지라는 말 속에 교환이라는 의미가 있기 때문이다.
이를테면 '에너지'를 '돈'에 비유할 수 있다. 물건은 변한다. 물건을 사기도 하고 팔기도 한다. 그러나 이를 돈으로 환산하면 변하지 않는다. 라면이나 청바지로 설명하면 이해하지 못한다. 라면은 변질되고 청바지는 안팔리기 때문이다. 그러나 이를 돈으로 바꾸어 설명하면 잘 이해한다. 돈을 은행에 저금해 두면 절대로 변하지 않기 때문이다.
여기서 중요한 점은 보존된다는 사실이 아니라 보존되지 않을 경우는 무엇인가이다. 그것은 결합과 교환 및 분할이다. 결합되므로, 분할되므로, 교환되므로 보존되지 않는 것이다. 질량보존의 법칙은 그러한 결합, 교환, 분할이 닫힌 계 내부에서만 일어나므로 더하고 빼면 제로가 된다는 의미이다.
'에너지'는 곧 돈이다. 사람들은 돈을 사용해 본 경험을 활용하여, 에너지의 불변성을 직관적으로 이해한다. 이런 식이다. 만약 인류가 '에너지'라는 단어를 아직 발명하지 못했다면 물리법칙은 잘 이해되지 않았을 것이다. 예를 들면 이(理)나 기(氣)를 들 수 있다. 이는 잘못된 어휘사용 덕분에 더 혼란해진 경우이다. 이(理)나 기(氣)는 모든 것을 의미하거나 아무것도 의미하지 않기 쉽다.
'보존되지 않는 경우'는 '결합', '분할', '교환'의 세 경우가 있다. 그러나 이 중 '교환'에 있어서는 궁극적으로 보존된다는 사실을 쉽게 짐작할 수 있다. 화폐교환의 경험을 통해서 우리는 자본주의가 재산을 보존하듯이 보존된다는 사실을 알아챌 수 있다. 마찬가지로 결합이나 분할에 있어서도 곰곰이 생각해 보면 궁극적으로 보존된다는 사실을 알 수 있다.
문제는 결합이나 분할, 교환이라는 용어를 사용하지 않는다는 데 있다. 에너지라는 합리적인 용어가 이(理)나 기(氣) 따위 잘못된 용어 사용에 의한 오류를 극복하듯이, 질량이라는 막연한 개념보다는 결합과 분할이라는 더 세련된 어휘사용에 의해 에너지보존의 법칙을 더 잘 이해할 수 있게 되는 것이다.
결합은 입자이며, 분할은 운동이다. 이 결합과 분할은 닫힌 계 안에서만 일어나며, 그 과정에 교환이 있다. 고로 더하고 빼면 0이 되는 것이다. 이는 마치 한 반의 학생 60명이 대열을 종대나 횡대로 바꾸는 것과 같다.
대열을 바꾸기 위해서는 결합하거나 분할해야 한다. 결합하거나 분할하기 위해서는 반드시 교환해야 한다. 그리고 모든 교환은 등가원리에 기초한다. 고로 결합과 분할은 항상 등가이다. 등가이므로 늘지도 줄지도 않는 것이다. 당연한 이야기다.
질은 가장 큰 단위를 의미한다. 즉 60명 학생 전체를 의미한다. 60명 전부가 질에서는 1이다. 고로 60명보다 더 작은 단위로 쪼개질 수 있을 뿐 더 큰 단위로 결합할 수 없다. 고로 질은 결합하지 않는다. 입자는 그 60명 중의 몇으로 된 종대나 횡대의 대오이다. 힘은 그 60명이 두 개 이상의 그룹으로 나뉘었을 때 그 중 한쪽이 한 명 증가하면 다른 쪽에서 한 명 감소함을 의미한다. 운동은 대오를 바꾸기 위해 순서대로 자리는 바꾸는 것이다. 양은 그 60명 개개인이다.
여기서 가장 큰 것은 질, 곧 학급전체이며 가장 작은 것은 양, 곧 학생 개개인이다. 항상 그러하듯이 가장 큰 것과, 가장 작은 것은 잘 변하지 않는다. 이는 경험칙을 통해 직관적으로 알 수 있다. 변화는 항상 그 중간에서 일어난다.
질 - 60명으로 된 하나의 학급
입자 - 30명으로 된 두 개의 분단
힘 - 학급내에서의 전체적인 자리바꿈
운동 - 학생 개개인의 순서적인 자리이동
량 - 학생 한 명 개개인
학급전체나 학생 한 명은 변하지 않는다. 그러나 분단은 변할 수 있다. 내부에서 줄을 바꿀 수 있는 것이다. 이 자리에서 저자리로 옮겨다닐 수 있다. 그러나 전체나 개인은 변하지 않는다. 또한 그 중간에서 분단이나 개개인의 자리가 변했다 해도, 내부에서의 교환에 지나지 않으므로 전체적으로는 아무런 영향이 없다.
결론적으로 열역학 제 1법칙은 사물이 겉보기로는 변해도 궁극적으로는 변화가 없다는 뜻이다. 그렇다면 반대로 일시적인 겉보기변화는 있다는 뜻이다. 그 일시적인 겉보기변화의 구체적인 내용이 뭐냐는 것이다. 그 내용은 곧 교환이다. 그 교환은 '결합'과 '분할'의 교환이다. 이쪽에 결합하기 위해서는 반드시 저쪽이 분할되어야 하며, 이 과정에는 항상 등가원리가 적용된다는 점이다. 그래서 내부적으로 결합하거나 분할되는 변화가 일어나기는 하지만, 더하고 빼면 0이 된다는 것이 열역학 제 1법칙이다.
요는 우리가 '결합'과 '분할' 혹은 '교환'이라는 추상적인 개념을 사용하지 않기 때문에, 이 쉬운 법칙을 정확하게 이해하지 못하고, 우리는 단지 경험칙과 직관으로만 이해하고 있으며, 이 때문에 알고 있으면서도 타 분야에 광범위하게 적용하지는 못하고 있다는 것이다.
열역학 제 2법칙은 이른바 '엔트로피증가의 법칙'이다. 엔트로피 증가를 정확하게 이해하는 역시 한 사람도 없다. 왜냐하면 엔트로피의 증가순서가 질>입자>힘>운동>량임을 알지 못하기 때문이다.
엔트로피는 그냥 증가하는 것이 아니라 결합과 분할 사이에서 일어나며 엔트로피가 증가하는 방향은 결합>교환>분할의 방향이다. 즉 결합보다 교환이 더 엔트로피가 증가하며 교환보다 분할이 더 엔트로피가 증가하고 있는 것이다.
엔트로피를 '무질서도'라고 표현한다. 문제는 이 '무질서'는 '질서'와 혼동되기 딱 좋다는 점이다. 열역학에서 말하는 무질서는, 우리가 일상적으로 체험하는 그런 무질서와 다르다는데 문제의 심각성이 있다.
에너지는 곧 교환이다. 여기서 '질서'는 교환할 수 있는 상태를 의미한다. 교환할 수 있는 상태는 곧 결합된 상태이다. 고로 분할된 상태에서는 어떤 경우에도 열역학적 무질서인 것이다. 그러나 엔트로피의 법칙을 설명하려는 그 누구도 이렇게 쉬운 설명방법을 사용하지 않는다.
컵과 구슬이 있다. 구슬이 컵 속에 담겨있는 것은 질서이고, 구슬이 컵 밖으로 나와있는 것은 무질서이다. 컵 밖으로 쏟아진 구슬이 대오를 잘 갖추어 있다 해도, 열역학적 의미에서는 무질서인 것이다.
그러나 우리가 일상적으로 말하는 질서는 그런 의미가 아니다. 우리가 흔히 질서라고 말하면 대오를 지어 나란하게 서 있는 것을 의미한다. 에너지는 결합>분할의 방법으로만 사용되며 사용된 에너지는 반드시 분할되어 있다. 분할된 에너지를 재결합시키기 위해서는 또한 막대한 에너지가 필요하다.
굳이 비유하자면 이는 화폐발행에 드는 비용과 같다. 100원짜리 하나와 10원짜리 열 개는 등가에 교환된다. 50원짜리 물건을 사며 100원짜리 한개를 내면 50원짜리 물건과 10원짜리 동전 다섯개를 내주지만, 반대로 10원짜리 열 개를 100원짜리 한 개로 바꿔주지는 않으며, 바꿔줄 때는 반드시 수수료를 받는다는 것이다.
문제는 이 수수료이다. 화폐는 등가에 교환되지만 실제로는 동전의 발행비용이 더 비싸다. 에너지는 교환이다. 교환이 일어나려면 최소 두 개가 있어야 한다. 그러나 양은 분할되었기 때문에 하나 뿐이다. 혼자서는 거래가 불능이다. 고로 질1이 양 2로 교환되지만, 질을 양으로 바꿔주는 수는 있어도, 양을 질로는 바꿔주지 않는다.
질은 1학급이고 입자는 2분단이다. 힘은 한 명이 자리를 바꾸기 위해서 최소한 몇 명이 자리를 이동해야 함을 의미한다. 운동은 자리이동이며 량은 학생 60명이다. 질>입자>힘>운동>량으로 갈수록 더 나뉘어져 있다. 즉 숫자가 증가하는 것이다. 곧 엔트로피 증가의 법칙이다.
한 학급에서 한 명이 자리를 바꾸기 위해서는 최소 2명 이상이 움직여야 한다. 만약 애초에 빈자리가 하나 주어지지 않는다면, 단 한명도 자리를 이동할 수 없다. 자리를 바꾸기 위해서는 자리가 학생보다 많아야 한다는 것이 엔트로피의 법칙이다.
학생 A가 학급 내에서 '갑'분단에서 '을'분단으로 이동하기 위해서는 '을'분단의 학생 한 명이 '갑'분단으로 건너와야 한다. 더욱 최초의 빈자리 하나가 있어야 한다. A가 먼저 빈자리로 옮기고 B가 A자리로 옮기면, 그 B의 자리로 A가 최종적으로 옮겨가야 하는 것이다.
엔트로피증가의 법칙은 오해를 낳을 수 있다. 왜냐하면 실제로는 아무것도 증가하지 않기 때문이다. 에너지는 교환된다. 교환은 결합과 분할의 교환이다. 무질서도(엔트로피)가 증가한다는 것은 분할된다는 이야기에 불과하다.
엔트로피증가의 법칙이 의미하는 것은 하나의 1이 둘의 2로 쪼개졌을 경우 방아쇠 역할을 할 빈자리 하나 없이 원위치로 환원되기는 불능이라는 것이다. 당연하다. 만약 교환의 등가원리에 의해 원위치로 환원되어버린다면, 세상의 모든 변화는 다 원위치되어 버린다. 아기는 어른이 되자마자 다시 어린이로 돌아갈 것이며, 한걸음 앞으로 가는 즉시 반작용에 의해 그만큼 뒤로가게 된다.
닫힌 계 안에서 외부의 간섭없이 결합과 분할은 환원되지 않는다. 이를 환원시키기 위해서는 반드시 열린계여야 한다. 즉 외부에서 방아쇠 역할을 할 만큼의 에너지가 유입되어야 한다. 그런데 이 외부에서 유입된 에너지는 자리바꿈이 끝나고, 단 뒤에 도로 돌려준다. 고로 에너지보존의 법칙과 충돌하지는 않는다.
엔트로피증가의 법칙을 복잡하게 설명해서는 이해할 수 없다. 간단히 말하면 하나의 질은 두 개의 입자로 분할된다는 것이다. 즉 질이 하나이면 입자는 두 개인 것이다. 질과 입자는 교환될 수 있지만 이 경우 반드시 외부에서 간섭이 있어야 한다는 것이다.
물질은 결합과 분할 그리고 교환 외에 다른 상태는 없다. 구조론은 결합하지 않는 경우, 결합
하는 경우, 교환, 분할하는 경우, 분할하지 않는 경우의 5개 상태로 설명한다. 여기서 결합과 분할과 교환이라는 개념을 잘 이해하고 있다면 엔트로피증가의 법칙으로 골머리를 앓을 일은 없는 것이다.
무질서도가 증가한다는 표현은 명백히 어폐가 있다. 사람들은 무엇이 열역학적 무질서인지 잘 모르기 때문에 착각을 낳는다. 실은 분할된 정도가 증가하는 것이다. 모든 에너지의 사용은 결합>분할의 일방향이며 분할된 것은 양이고, 분할되지 않는 것은 질이다. 에너지는 질>입자>힘>운동>양의 일방향으로 사용되며 그 내용은 교환이다.
사람들은 이 법칙을 잘 알고있다고 믿고 있지만 실제로는 잘 모르고 있다. 잘 모르고 있기 때문에 이 법칙은 타 분야에 충분히 응용되지 못하고 있다. 법칙이 중요한 것은 보편성 때문이다. 보편성은 어디에나 다 적용이 된다는 것이다. 에너지보존의 법칙이 적용되지 않는 분야는 없다. 그러나 우리는 그 보편성 만큼 이 법칙을 충분히 응용하지는 못하고 있다.
우선 사람들은 '에너지' 혹은 '질량'이라는 개념을 잘 이해하지 못하고 있다. 물질이 불멸한다는 것은 상식이 있는 사람이라면 누구나 직관적으로 알고 있다. 이는 일상에서 충분히 경험할 수 있는 일이기 때문이다. 그러나 알고도 써먹지 못한다면 뭔가 문제가 있다.
문제는 '보존'이라는 추상적 개념이다. '보존된다'는 것은 '보존되지 아니하지'를 '아니한다'는 것이다. 그렇다면 보존되지 않는 경우는 도대체 어떠하길래 '보존된다'는 사실이 유독 강조되어야 하고, 또 법칙으로 정리되는고 있는가이다.
에너지는 보존된다. 그렇다면 그 반대는 경우, 곧 보존되지 않는 경우는 무엇인가? 그것은 형태를 바꾸는 것이다. 에너지가 보존된다는 것은 역으로 '에너지'가 아닐 경우, 보존되지 않고(?) 그 형태를 바꾼다는 말이다. 그러므로 물질이 겉으로는 생겨나거나 소멸하는 것처럼 보여진다는 말이다.
어떤 경우에도 물질은 불멸하여 보존된다. 그러나 어떤 경우 '마치 보존되지 않는 것처럼' 보여진다. 실제로는 보존되는데 겉으로는 보존되지 않는 것처럼 보여지는 착각이 일어나기 때문에, 이 착오를 차단하기 위하여 '보존된다'는 사실의 강조로서 열역할 제 1법칙이 요청되는 것이다.
질량보존의 법칙은 '질량'이 아닐 경우, 보존되지 않거나, 혹은 보존되지 않는 것처럼 보여진다는 뜻이다. 그렇다면 그러한 경우, 곧 질량이 아닌 물리적 상태에서 보존되지 않거나, 보존되지 않는 것처럼 보여지는 경우는 구체적으로 어떠한가에 대한 설명이 없다.
질량보존의 법칙은 더 알기쉽게 설명되어야 한다. 질량보존의 법칙은 물질이 '질량'에서 보존됨과 동시에, 물질이 '질량'의 형태가 아닐 경우 보존되지 않고 변화하는 법칙이다. 그렇다면 물질이 질량이 아닌 경우는 어떤 경우들이 있으며 그 경우들에는 어떤 형태로 보존되지 않고 혹은 보존되지 않는 것처럼 보여지는 변화를 일으키는가? 이 물음에 답해져야 한다.
우선 '질량'이라는 말은 무슨 뜻일까? '질'은 '결합하지 않는다'는 뜻이다. '양'은 '분할되지 않는다'는 뜻이다. 즉 '질량'은 '결합하지도 않고 분할되지도 않는다'는 뜻이다. 이 말은 역으로 모든 물질적 변화는 '결합과 분할' 형태로만 일어난다는 뜻이다.
질량이라는 말은 곧 '결합도 분할도 아니한다'는 뜻이다. 곧 보존이다. '질량=보존'인 것이다. 그러므로 이는 동어반복이 된다. 같은 표현을 두 번 사용한 것이다. 고로 '질량보존의 법칙'을 '질량의 법칙'이라고 줄여도 된다.
엄밀히 말하면 '질량보존의 법칙'이 아니라 '질량의 법칙'이다. '질량'이라는 말 속에 보존이라는 의미가 내포되어 있기 때문이다. 문제는 우리가 '질량'이라는 말의 의미를 잘 모른다는데 있다. 우리가 질량이라는 말의 의미를 정확히 모르므로, 동어반복하여 '질량보존'이라는 어색한 표현을 써야만 하는 것이다.
모든 변화는 결합 아니면 분할, 그리고 교환이다. 그 이외의 경우는 없다. 결합과 분할은 곧 변화다. 교환은 형태를 바꾼다. 질량은 결합하거나 분할하지 않는다. 고로 보존된다. 에너지는 교환이다. 고로 형태를 바꾸어 보존된다.
■ 질 - 결합하지 않는다>고로 보존된다.
■ 입자 - 결합한다>형태를 바꾼다>보존되지만 사람들은 겉보기의 형태가 변화하고 있기 때문에 보존되고 있음을 깨닫지 못한다>입자가 에너지로 바뀌었을 때 궁극적으로 보존된다는 사실을 깨닫게 된다.
■ 힘 - 교환된다>에너지라는 말에는 교환이라는 의미가 숨어있다>교환되므로 형태가 변하여도 궁극적으로 보존된다는 사실을 알아챌 수 있다.
■ 운동 - 분할된다>형태를 바꾼다>보존되지만 겉보기 형태가 변화하고 있으므로 보존되고 있음을 알아채지 못한다>입자와 마찬가지로 운동도 에너지로 바뀌었을 때 궁극적으로 보존된다는 사실을 깨닫게 된다.
■ 량 - 분할되지 않는다>고로 보존된다.
'에너지'라는 말은 매우 편리하다. '에너지'의 어원을 알아보면 안en+일ergy이다. 즉 겉에서는 보이지 않지만, 안에서는 뭔가 일을 하고있다는 뜻이다. 에너지라는 말에는 겉에서는 보이지 않는다는 의미가 있으므로, 겉으로는 변하는 것처럼 보이지만, 실제로는 변하지 않는다는 사실을 사람들이 알아채는 것이다.
입자나 힘도 에너지로 변한다. 에너지라는 말에 교환이라는 의미가 숨어있기 때문에 사람들은 입자나 운동으로 설명하면 잘 이해하지 못하는 것을 에너지로 바꾸어 설명하면 잘 이해하곤 한다. '석유 1리터'로 갈수 있는 거리가 어쩌구 하면 잘 이해하지 못한다. 이를 에너지로 바꾸어 '10마력의 힘'으로 표현하면 잘 이해한다. 이런 식이다. 우리는 입자라는 개념보다 에너지라는 개념에 더 익숙한 것이다.
중요한 점은 '질, 입자, 힘, 운동, 량'이라는 개념을 정확하게 알지 못하기 때문에 물리가 어렵다는 사실이다. 정확하게 개념을 짚을 수 있어야 한다. '질은 결합하지 않는다'는 뜻이다. '양은 쪼개지지 않는다'는 뜻이다. '힘(에너지)는 교환된다'는 의미다. 이러한 개념의 본질을 정확하게 이해하고 있다면, 굳이 에너지가 보존되는 이유를 설명할 필요도 없다. 에너지라는 말 속에 교환이라는 의미가 있기 때문이다.
이를테면 '에너지'를 '돈'에 비유할 수 있다. 물건은 변한다. 물건을 사기도 하고 팔기도 한다. 그러나 이를 돈으로 환산하면 변하지 않는다. 라면이나 청바지로 설명하면 이해하지 못한다. 라면은 변질되고 청바지는 안팔리기 때문이다. 그러나 이를 돈으로 바꾸어 설명하면 잘 이해한다. 돈을 은행에 저금해 두면 절대로 변하지 않기 때문이다.
여기서 중요한 점은 보존된다는 사실이 아니라 보존되지 않을 경우는 무엇인가이다. 그것은 결합과 교환 및 분할이다. 결합되므로, 분할되므로, 교환되므로 보존되지 않는 것이다. 질량보존의 법칙은 그러한 결합, 교환, 분할이 닫힌 계 내부에서만 일어나므로 더하고 빼면 제로가 된다는 의미이다.
'에너지'는 곧 돈이다. 사람들은 돈을 사용해 본 경험을 활용하여, 에너지의 불변성을 직관적으로 이해한다. 이런 식이다. 만약 인류가 '에너지'라는 단어를 아직 발명하지 못했다면 물리법칙은 잘 이해되지 않았을 것이다. 예를 들면 이(理)나 기(氣)를 들 수 있다. 이는 잘못된 어휘사용 덕분에 더 혼란해진 경우이다. 이(理)나 기(氣)는 모든 것을 의미하거나 아무것도 의미하지 않기 쉽다.
'보존되지 않는 경우'는 '결합', '분할', '교환'의 세 경우가 있다. 그러나 이 중 '교환'에 있어서는 궁극적으로 보존된다는 사실을 쉽게 짐작할 수 있다. 화폐교환의 경험을 통해서 우리는 자본주의가 재산을 보존하듯이 보존된다는 사실을 알아챌 수 있다. 마찬가지로 결합이나 분할에 있어서도 곰곰이 생각해 보면 궁극적으로 보존된다는 사실을 알 수 있다.
문제는 결합이나 분할, 교환이라는 용어를 사용하지 않는다는 데 있다. 에너지라는 합리적인 용어가 이(理)나 기(氣) 따위 잘못된 용어 사용에 의한 오류를 극복하듯이, 질량이라는 막연한 개념보다는 결합과 분할이라는 더 세련된 어휘사용에 의해 에너지보존의 법칙을 더 잘 이해할 수 있게 되는 것이다.
결합은 입자이며, 분할은 운동이다. 이 결합과 분할은 닫힌 계 안에서만 일어나며, 그 과정에 교환이 있다. 고로 더하고 빼면 0이 되는 것이다. 이는 마치 한 반의 학생 60명이 대열을 종대나 횡대로 바꾸는 것과 같다.
대열을 바꾸기 위해서는 결합하거나 분할해야 한다. 결합하거나 분할하기 위해서는 반드시 교환해야 한다. 그리고 모든 교환은 등가원리에 기초한다. 고로 결합과 분할은 항상 등가이다. 등가이므로 늘지도 줄지도 않는 것이다. 당연한 이야기다.
질은 가장 큰 단위를 의미한다. 즉 60명 학생 전체를 의미한다. 60명 전부가 질에서는 1이다. 고로 60명보다 더 작은 단위로 쪼개질 수 있을 뿐 더 큰 단위로 결합할 수 없다. 고로 질은 결합하지 않는다. 입자는 그 60명 중의 몇으로 된 종대나 횡대의 대오이다. 힘은 그 60명이 두 개 이상의 그룹으로 나뉘었을 때 그 중 한쪽이 한 명 증가하면 다른 쪽에서 한 명 감소함을 의미한다. 운동은 대오를 바꾸기 위해 순서대로 자리는 바꾸는 것이다. 양은 그 60명 개개인이다.
여기서 가장 큰 것은 질, 곧 학급전체이며 가장 작은 것은 양, 곧 학생 개개인이다. 항상 그러하듯이 가장 큰 것과, 가장 작은 것은 잘 변하지 않는다. 이는 경험칙을 통해 직관적으로 알 수 있다. 변화는 항상 그 중간에서 일어난다.
질 - 60명으로 된 하나의 학급
입자 - 30명으로 된 두 개의 분단
힘 - 학급내에서의 전체적인 자리바꿈
운동 - 학생 개개인의 순서적인 자리이동
량 - 학생 한 명 개개인
학급전체나 학생 한 명은 변하지 않는다. 그러나 분단은 변할 수 있다. 내부에서 줄을 바꿀 수 있는 것이다. 이 자리에서 저자리로 옮겨다닐 수 있다. 그러나 전체나 개인은 변하지 않는다. 또한 그 중간에서 분단이나 개개인의 자리가 변했다 해도, 내부에서의 교환에 지나지 않으므로 전체적으로는 아무런 영향이 없다.
결론적으로 열역학 제 1법칙은 사물이 겉보기로는 변해도 궁극적으로는 변화가 없다는 뜻이다. 그렇다면 반대로 일시적인 겉보기변화는 있다는 뜻이다. 그 일시적인 겉보기변화의 구체적인 내용이 뭐냐는 것이다. 그 내용은 곧 교환이다. 그 교환은 '결합'과 '분할'의 교환이다. 이쪽에 결합하기 위해서는 반드시 저쪽이 분할되어야 하며, 이 과정에는 항상 등가원리가 적용된다는 점이다. 그래서 내부적으로 결합하거나 분할되는 변화가 일어나기는 하지만, 더하고 빼면 0이 된다는 것이 열역학 제 1법칙이다.
요는 우리가 '결합'과 '분할' 혹은 '교환'이라는 추상적인 개념을 사용하지 않기 때문에, 이 쉬운 법칙을 정확하게 이해하지 못하고, 우리는 단지 경험칙과 직관으로만 이해하고 있으며, 이 때문에 알고 있으면서도 타 분야에 광범위하게 적용하지는 못하고 있다는 것이다.
열역학 제 2법칙은 이른바 '엔트로피증가의 법칙'이다. 엔트로피 증가를 정확하게 이해하는 역시 한 사람도 없다. 왜냐하면 엔트로피의 증가순서가 질>입자>힘>운동>량임을 알지 못하기 때문이다.
엔트로피는 그냥 증가하는 것이 아니라 결합과 분할 사이에서 일어나며 엔트로피가 증가하는 방향은 결합>교환>분할의 방향이다. 즉 결합보다 교환이 더 엔트로피가 증가하며 교환보다 분할이 더 엔트로피가 증가하고 있는 것이다.
엔트로피를 '무질서도'라고 표현한다. 문제는 이 '무질서'는 '질서'와 혼동되기 딱 좋다는 점이다. 열역학에서 말하는 무질서는, 우리가 일상적으로 체험하는 그런 무질서와 다르다는데 문제의 심각성이 있다.
에너지는 곧 교환이다. 여기서 '질서'는 교환할 수 있는 상태를 의미한다. 교환할 수 있는 상태는 곧 결합된 상태이다. 고로 분할된 상태에서는 어떤 경우에도 열역학적 무질서인 것이다. 그러나 엔트로피의 법칙을 설명하려는 그 누구도 이렇게 쉬운 설명방법을 사용하지 않는다.
컵과 구슬이 있다. 구슬이 컵 속에 담겨있는 것은 질서이고, 구슬이 컵 밖으로 나와있는 것은 무질서이다. 컵 밖으로 쏟아진 구슬이 대오를 잘 갖추어 있다 해도, 열역학적 의미에서는 무질서인 것이다.
그러나 우리가 일상적으로 말하는 질서는 그런 의미가 아니다. 우리가 흔히 질서라고 말하면 대오를 지어 나란하게 서 있는 것을 의미한다. 에너지는 결합>분할의 방법으로만 사용되며 사용된 에너지는 반드시 분할되어 있다. 분할된 에너지를 재결합시키기 위해서는 또한 막대한 에너지가 필요하다.
굳이 비유하자면 이는 화폐발행에 드는 비용과 같다. 100원짜리 하나와 10원짜리 열 개는 등가에 교환된다. 50원짜리 물건을 사며 100원짜리 한개를 내면 50원짜리 물건과 10원짜리 동전 다섯개를 내주지만, 반대로 10원짜리 열 개를 100원짜리 한 개로 바꿔주지는 않으며, 바꿔줄 때는 반드시 수수료를 받는다는 것이다.
문제는 이 수수료이다. 화폐는 등가에 교환되지만 실제로는 동전의 발행비용이 더 비싸다. 에너지는 교환이다. 교환이 일어나려면 최소 두 개가 있어야 한다. 그러나 양은 분할되었기 때문에 하나 뿐이다. 혼자서는 거래가 불능이다. 고로 질1이 양 2로 교환되지만, 질을 양으로 바꿔주는 수는 있어도, 양을 질로는 바꿔주지 않는다.
질은 1학급이고 입자는 2분단이다. 힘은 한 명이 자리를 바꾸기 위해서 최소한 몇 명이 자리를 이동해야 함을 의미한다. 운동은 자리이동이며 량은 학생 60명이다. 질>입자>힘>운동>량으로 갈수록 더 나뉘어져 있다. 즉 숫자가 증가하는 것이다. 곧 엔트로피 증가의 법칙이다.
한 학급에서 한 명이 자리를 바꾸기 위해서는 최소 2명 이상이 움직여야 한다. 만약 애초에 빈자리가 하나 주어지지 않는다면, 단 한명도 자리를 이동할 수 없다. 자리를 바꾸기 위해서는 자리가 학생보다 많아야 한다는 것이 엔트로피의 법칙이다.
학생 A가 학급 내에서 '갑'분단에서 '을'분단으로 이동하기 위해서는 '을'분단의 학생 한 명이 '갑'분단으로 건너와야 한다. 더욱 최초의 빈자리 하나가 있어야 한다. A가 먼저 빈자리로 옮기고 B가 A자리로 옮기면, 그 B의 자리로 A가 최종적으로 옮겨가야 하는 것이다.
엔트로피증가의 법칙은 오해를 낳을 수 있다. 왜냐하면 실제로는 아무것도 증가하지 않기 때문이다. 에너지는 교환된다. 교환은 결합과 분할의 교환이다. 무질서도(엔트로피)가 증가한다는 것은 분할된다는 이야기에 불과하다.
엔트로피증가의 법칙이 의미하는 것은 하나의 1이 둘의 2로 쪼개졌을 경우 방아쇠 역할을 할 빈자리 하나 없이 원위치로 환원되기는 불능이라는 것이다. 당연하다. 만약 교환의 등가원리에 의해 원위치로 환원되어버린다면, 세상의 모든 변화는 다 원위치되어 버린다. 아기는 어른이 되자마자 다시 어린이로 돌아갈 것이며, 한걸음 앞으로 가는 즉시 반작용에 의해 그만큼 뒤로가게 된다.
닫힌 계 안에서 외부의 간섭없이 결합과 분할은 환원되지 않는다. 이를 환원시키기 위해서는 반드시 열린계여야 한다. 즉 외부에서 방아쇠 역할을 할 만큼의 에너지가 유입되어야 한다. 그런데 이 외부에서 유입된 에너지는 자리바꿈이 끝나고, 단 뒤에 도로 돌려준다. 고로 에너지보존의 법칙과 충돌하지는 않는다.
엔트로피증가의 법칙을 복잡하게 설명해서는 이해할 수 없다. 간단히 말하면 하나의 질은 두 개의 입자로 분할된다는 것이다. 즉 질이 하나이면 입자는 두 개인 것이다. 질과 입자는 교환될 수 있지만 이 경우 반드시 외부에서 간섭이 있어야 한다는 것이다.
물질은 결합과 분할 그리고 교환 외에 다른 상태는 없다. 구조론은 결합하지 않는 경우, 결합
하는 경우, 교환, 분할하는 경우, 분할하지 않는 경우의 5개 상태로 설명한다. 여기서 결합과 분할과 교환이라는 개념을 잘 이해하고 있다면 엔트로피증가의 법칙으로 골머리를 앓을 일은 없는 것이다.
무질서도가 증가한다는 표현은 명백히 어폐가 있다. 사람들은 무엇이 열역학적 무질서인지 잘 모르기 때문에 착각을 낳는다. 실은 분할된 정도가 증가하는 것이다. 모든 에너지의 사용은 결합>분할의 일방향이며 분할된 것은 양이고, 분할되지 않는 것은 질이다. 에너지는 질>입자>힘>운동>양의 일방향으로 사용되며 그 내용은 교환이다.
