닫힌계 

구조론은 닫힌계 안에서 에너지 보존의 법칙과 엔트로피 증가의 법칙이 갖는 서로 다른 측면을 해명하고 있다. 에너지보존의 법칙과 엔트로피 증가의 법칙은 물질운동의 서로 다른 측면을 말하고 있다는 점에서 일견 모순되어 보인다.

에너지보존의 법칙은 물질운동의 가역성을 설명하고 있는 반면 엔트로피 증가의 법칙은 물질운동의 비가역성을 설명하고 있다. 즉 물질운동은 열린계에서 가역과정을 나타내는 동시에 닫힌계에서 비가역과정을 나타내는 것이다.

에너지보존의 법칙은 쉽게 이해할 수 있다. 우리의 일상에서 무수히 체험하고 있기 때문이다. 이는 ‘부분의 합은 전체와 같다’는 환원주의로 이해된다. 수학의 많은 부분은 이러한 환원주의에 의해 성립하고 있다.

엔트로피의 법칙에 의하면 부분의 합은 전체보다 작다. 부분을 합하는 과정까지를 감안하기 때문이다. 부분을 합하여 전체를 이룰 때가 전체를 해체하여 부분을 만들 때 보다 더 많은 일을 필요로 한다. 그러므로 계 안에서는 환원되지 않는다. ‘계’ 안에서 물질운동은 에너지를 보존하지만 대신 ‘정보’를 잃기 때문이다.

기존의 이론 물리학은 정보(질서)라는 개념이 없거나 빈곤하다는 문제점이 있다. 이에 따라 엔트로피 증가의 법칙은 매우 어수선하게 설명된다. 무질서도의 증가라는 표현은 이해하기 어렵다.

엔트로피의 증가는 ‘평형의 이탈’ 혹은 ‘정보의 손실’로 설명될 수 있다. 물질운동은 자연 상태에서 물리적 평형 혹은 열적인 평형상태를 지향한다. 이는 물리적 등방성과 대칭성의 원리 곧 작용 반작용의 법칙으로 설명될 수 있다.

계는 그 물리적 평형 혹은 열역학에서 열적인 평형상태로 설명될 수 있다. 곧 작용과 반작용이 성립하고 있는 물리영역을 의미한다. 모든 물질운동은 특정한 물리영역 안에서의 평형으로 부터 출발하여 그 평형에서 이탈하는 효과를 낳는 방향으로 진행한다.

마찬가지로 모든 열역학적인 운동은 열역학적인 평형에서 이탈한다. 평형의 이탈은 계의 해체를 의미하며 새로운 평형을 이룬 상태에서 운동은 정지한다. 곧 애초에 성립한 물리영역에서 이탈하여 새로운 계가 성립하는 것이다.

계의 해체에 따른 평형이탈 과정을 세부적으로 추적하면 계 안에서 구조의 집적에서 해체로의 이행과정을 알아낼 수 있다. 구조의 해체가 진행하는 단계에 따라 물질상태는 ‘질=입자=힘=운동=량’이라는 다섯 가지 단계를 나타낸다.

물질은 계 안에서의 평형이탈에 의해 ‘질=입자=힘=운동=량’의 다섯가지 상태의 순서로 해체를 진행하면서 열적 평형, 물리적 평형에서 이탈하며 그러한 이탈의 정도를 엔트로피의 증가, 곧 무질서도의 증가로 표현한다. 엔트로피는 ‘질=입자=힘=운동=량’의 순서대로 증가한다. 즉 량이 가장 엔트로피가 높은 단계이다. 

이때 물질의 집적된 정도 곧 평형에 가까운 정도를 ‘정보’로 표현할 수 있다. 물질은 자연상태에서 물리적 등방성과 대칭성의 원리에 의한 작용, 반작용의 법칙에 의해 항상 물리적 평형상태를 이루고 있으며 그러한 평형상태를 이룬 물리영역을 특정하여 ‘계’로 볼 때 물질운동은 평형이탈의 한 방향으로만 전개하며 그 과정에서 정보를 손실하게 되고 그 정보의 손실된 정도에 따라 질=입자=힘=운동=량의 상태를 나타내는 것이다. 이때 뒤로 갈수록 정보를 손실하고 있다. 역으로 정보가 집적된 정도에 따라 질=입자=힘=운동=량의 단계로 설명할 수도 있다. 이때는 앞으로 갈수록 정보가 집적되고 있다.

물질운동은 반드시 정보 손실의 결과를 나타내므로 정보가 손실된 양에서 다시 정보가 획득된 질로 환원되지는 않는다. 즉 환원주의의 무제한적인 적용은 오류이다. 양에서 질로 환원하기 위해서는 반드시 외부에서 일이 투입되어야 한다.

자연상태에서 특정한 물리영역 안에서 물질이 저절로 열적평형을 회복하지는 않는다. 그 이유는 언제라도 작용, 반작용의 법칙이 적용되어 계 밖에서 다른 물리적 평형 혹은 열적 평형의 대상을 찾아버리기 때문이다. 즉 평형을 이탈한 결과로 계는 완전히 해체되며 물리요소들은 동시에 다른 계를 찾아버리기 때문이다.

이는 어떤 부모가 자신의 아기를 잃어버리는 즉시 그 아기가 다른 부모를 만나버리므로 다시 원상태로 그 아기를 돌려받을 수는 없는 상황으로 설명할 수 있다. 아기를 돌려받기 위해서는 ‘일’이라는 댓가를 지불해야 한다. 이때 그러한 댓가의 지불과 아기를 돌려받음은 애초에 주어진 물리적 평형의 영역을 이탈하는 결과를 수반하므로 열린계이다. 즉 아기를 돌려받기 위해서는 대문을 열어야 하는데 이는 닫힌 계가 아닌 열린계인 것이다. 

자연상태에서 평형이탈 상황을 본래의 물리적 평형으로 되돌리기 위해서는 반드시 외부에서 인위적으로 일을 투입해 주어야 한다. 정보를 손실한 만큼 정보가 투입되어야 하는 것이다. 이때는 에너지의 지원이 소용된다.

시스템은 에너지보존의 법칙이 적용되는 에너지 순환의 1사이클을 의미한다. 열적 평형을 이루고 있는 닫힌계 안에서 에너지의 순환은 성립하지 않는다. 환원이 일어나기 위해서는 반드시 외부에서 일의 개입이 가능한 열린계여야 한다.

열린 계는 물리적 평형을 이루고 있는 물리영역을 이탈하는 외부에서 개입이 있으며 그러한 외부에서의 개입을 받아들일 수 있는 물리적 상태가 곧 ‘질’이다. 이때 에너지의 순환은 계의 해체를 수반하며 평형이탈이 일어나고 이에 의해 계 바깥에서 새로운 평형이 찾아지므로써 더 이상 외부에서의 개입을 받아들일 수 없는 물리적 상태로 변한 것이 ‘양’이다.

● 질.. 물리적 평형을 이루고 있는 물리영역. 

● 입자.. 물리영역 안에서 내적인 물리적 평형.

● 힘.. 평형이탈을 촉발하는 물리적 한계.

● 운동.. 평형이탈의 현재진행.

● 량.. 평형이탈이 이루어진 상태.

질(質)은 평형이탈을 촉발하는 외부 개입의 통로를 가지고 있다는 특징이 있다. 양(量)은 평형이탈이 이루어진 결과로 애초의 계가 해체되고 새로운 물리적 평형이 찾아진 상태이다.

양은 계측할 수 있을 뿐 수집할 수 없고 질은 수집할 수 있을 뿐 계측할 수 없다. 질을 계측하려면 질량보존의 법칙을 토대로 질을 양으로 변환시켜 계측한다. 또 양을 수집하려면 양을 질로 변환시켜서 수집한다. 그러한 질량변환과 양질전환의 중심이 예의 물리적 평형 곧 닫힌계와 열린계이다.

질을 계측하려는 즉 개입을 필요로 하고 개입하면 평형이 깨어져서 변질하고 만다. 양을 수집하려는 즉 양이 획득하고 있는 새로운 평형이 깨여져서 파손된다. 그러므로 우리는 질과 양을 적절히 변형하는 방법으로 계를 넘나들게 되는 것이며 그러한 계의 넘나들기가 허용되는 물리영역이 곧 열린계인 것이다.  

● 시스템.. 에너지보존의 법칙을 토대로 외부에서의 개입을 사용하여 에너지 순환의 1 사이클이 성립하는 열린계의 물리적 구성상. 예) 식물의 광합성이나 동물의 생장은 근본적으로 외부에서 주어지는 태양광을 그 동력원으로 이용한다는 점에서 열린계라 할 수 있다.

● 구조.. 닫힌계 내부에서 성립하는 물리적 평형 및 그 계의 해체가 진행되는 각 단계의 물리적 구성상.

● 물리영역.. 작용, 반작용의 법칙이 성립하는 물리 범위. 상대성이론이 적용되는 즉 물리영역은 외부에서의 개입정도에 따라 상대적으로 성립한다. 이를 장(場)으로 설명할 수 있다. 그 장 안에서 외부에서의 개입이 특정된 즉 상대성의 구체적인 물리량이 결정되어 있는 상태를 입자라 할 수 있다.