2019-03-26 15:37:43

"왜 자연은 과거로, 무질서에서 질서로 돌아가지 않는 것일가? 이에 대해 처음으로 대답을 준 사람이 볼츠만이다."

매일 사람들은 자연이 시간의  한 방향으로 일어나는 다양한 현상을 목격한다. 시간은 미래로 계속 나아가지만 과거로 돌아가지 않고 세상은 질서에서 무질서로 변해간다.

물은 아래로 떨어지고 잉크나 염료는 물 속에서 퍼지고, 어떤 물질에 힘을 가하면 모든 방향으로 흩어지며 컵은 깨지면 산산조각 난다. 하지만 모든 물질은 저절로 함께 모아지지 않는다.

왜 자연은 과거로, 무질서에서 질서로 돌아가지 않는 것일가? 이에 대해 처음으로 대답을 준 사람이 볼츠만이다.

볼츠만은 1844년 2월 20일 오스트리아 빈의 중산층 가정에서 태여났다. 1863년 빈대학에 입학했고 3년 뒤인 1866년 요제프 스테판 교수 지도 아래 기체 운동론으로 박사 학위를 받았으며 그 후 2년 동안 조교수로 일했다. 1867년 그의 나이 20세 때부터 대학에서 강의를 하기 시작했다. 그는 뛰여난 교수였고 인기가 많아 대학에서 가장 큰 강의실일지라도 학생들이 계단에 앉아 그의 강의를 들었다. 그의 제자였던 리제 마이트너는 볼츠만은 늘 열정적이였고 인정이 많았으며 늘 학생들에게 새롭고 놀라운 세계를 보여주었다고 회상했다.

1876년에는 결혼해 세 명의 딸과 두 아들을 낳았지만 둘째 아들이 맹장염으로 10살에 죽은 후  조울증으로 고통에 시달렸다. 1890년 뮌헨대학 물리 리론 교수가 되였고 1893년 빈대학으로 옮겼다.

당시 빈대학에는 원자의 실재를 부정하던 에른스트 마흐 (1838 ~ 1916)와 그의 추종자들이 볼츠만의 원자론에 대해 끈질기게 비판했다. 1900년 볼츠만은 라이프치히대학으로 옮겼고 불행하게도 그곳에서 원자론에 반대하는 빌헬름 오스트발트 (1853 ~ 1932)를 만났다.

마흐가 은퇴한 후 1904년 빈대학으로 다시 옮겼지만 전에 남은 아픈 흔적으로 인해 자신감을 잃고 62세에 자살로 생을 마감했다. 그의 무덤 비석에는 엔트로피에 대한 공식이 있다. 유명한 S=k log W(S는 엔트로피, W는 상태확률, k는 볼츠만상수)의 식이 그것이다.

볼츠만이 죽은 뒤 1919년 프랑스 물리학자 장 페랭은 콜로이드 서스펜션 연구로 아보가드로 수자의 값과 볼츠만 상수, 그리고 실제로 아주 작은 립자들이 존재한다는 것을 확인시켜주었다. 그의 업적은 막스 플랑크의 량자 가설과 브라우니 운동 등 현대 량자력학에 중요한 계기를 마련해주었다.

열력학은 기본적인 2개 법칙이 있다. 에너지 보존의 법칙과 1865년 독일 리론 물리학자 클라우지우스가 주장한 에너지 전환에서 근본적인 방향 제한이다.

에너지는 새로 만들어지거나 파괴되지 않고 오직 변형될 수 있다. 우주의 전체적 에너지 량은 항상 일정하다.

열에너지는 자발적으로 뜨거운 물질에서 차가운 물질로만 흐르고 반대 현상은 일어나지 않으며 고립계에서 열의 증가는 그 시스템에서 무질서의 정도를 증가하게 만들므로 엔트로피는 항상 증가한다. 엔트로피는 한 시스템에서 무질서 량의 척도이며 고립계에서 엔트로피는 항상 증가한다. 엔트로피가 최대에 이르면 열 평형 상태가 되여 일정하게 유지되지만 역으로 다시 돌아가지는 않는다.

볼츠만은 열력학 제 2 법칙인 에너지 전환에서 근본적인 방향 제한에 대해 관심이 많았다. 볼츠만은 기체는 끊임없이 운동하는 원자 혹은 분자로 이루어졌다고 생각했다. 압력과 같은 기체의 성질은 확률과 력학에 의해 조절되는 미세한 현상의 거시적 상징이라 믿었다. 28세 되던 1872년 엔트로피의 개념을 통계적 해석에 련결시켜 H 정리라는 중요한 론문을 발표했다.

이 론문은 주로 확률의 미적분에 기반을 둔 기체 리론으로 물질 세계를 정확히 증명한다. 그는 시간이 한 방향으로 흐르는 것을 증명해 컵이 깨진 후 다시 자발적으로 모아져 원래의 형태로 가는 것이 불가능함을 증명했다. 또한 기체는 끊임없이 운동하는 원자들의 집합체이며 기체 온도는 립자들의 운동 에너지의 직접적인 측정이다. 이 법칙에 의하면 기체 립자들은 서로 충돌로 인해 속도를 빠르게 하거나 느리게 하므로 모두 같은 속도로 움직이지 않으며 기체 상태에서 립자들의 속도 분포를 가질 것이다. 기체들은 온도가 높을 수록 더 빠르게 움직이고 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 움직인다. 하지만 볼츠만의 확률적인 리론과 불가역 현상은 뉴톤의 리론과 일치하지 않고 력학계는 늘 이내 원 상태로 돌아간다는 일부 과학자들의 론문과 대치되여 과학자들의 반응은 랭담했다.

1877년 볼츠만은 엔드로피에 대한 공식을 발견하는데 성공했다. 과학자들은 에너지가 련속적이라 생각했지만 볼츠만은 운동 중인 기체 립자들의 에너지는 련속적이지 않으며 에너지 준위가 여러 개로 나뉘어져 있어 립자들은 충돌 시 서로 다른 준위로 점프한다고 예측했다.

볼츠만은 세상의 물질들은 립자로 돼있다고 주장했지만 미시 세계를 경험하지 못했던 과학자들은 J.J 톰슨이 전자를 발견하기 전 까지 그의 리론을 믿지 않았다.

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