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진화론, 열역학, 그리고 엔트로피

진화론, 열역학, 그리고 엔트로피 

(Evolution, Thermodynamics, and Entropy)


정의

생물학적 과정과 현상에 관한 연구들은 중요한 진화론적 변화가 현대의 세계에서는 관찰되지 않는다는 것을 얘기하고 있다. 비슷하게 화석기록의 큰 빈 틈들 역시 종 내에서 일어나는 작은 변화들과 구별되는 새로운 진화가 과거에 발생했다는 것에 대해 의심을 제기하고 있다.

그러나 이런 어려운 문제들을 잘 설명해주는 하나의 생각이 있다. 진화가 과거에 일어났었다는 것에 대한 증거가 없을 뿐 아니라, 진화가 일어날 수 없다는 증거 또한 있다. 엔트로피가 증가하는 법칙(열역학 제2법칙)은 진화론적 메커니즘이 극복할 수 없는, 무너뜨릴 수 없는 벽인 것이다. 진화와 엔트로피는 반대되며 상호간에 배타적인 개념들이다. 엔트로피법칙이 보편적인 법칙이라면 진화는 불가능한 것임에 틀림 없다.

용어 자체조차 서로 상반되는 개념을 표현할 때가 있다. 물론 '진화(evolution)' 라는 말도 라틴어의 'out-rolling”에서 유래한 말이다. 그림으로 이해하면 바깥쪽으로 진행되는 나선구조에서 매우 작은 시작점에서 점점 원을 넓혀가며 풀어나가 모든 존재를 포함할 때까지 넓혀 가는 그림이 된다.

반면에, '엔트로피(entropy)'는 문자 그대로 'in-turning”을 의미한다. 이것은 두 개의 그리스어로부터 유래한 말인데, 'in”을 의미하는‘en’과 'turning”을 의미하는‘trope’가 합쳐진 말이다. 개념적으로 보면 그 자체가 안으로 나선형으로 감기는 것으로 정확히 진화와 반대되는 개념인 셈이다. 진화는 바깥쪽으로 더 높은 곳으로의 변화이고, 엔트로피는 안으로 더 낮은 곳으로의 변화이다.

진화와 엔트로피의 원리는 둘 다 보편적인 원리로 믿어지고 있으나, 권위 있는 정의에 따르면 서로가 상반되는 것으로 보인다 :

"관찰되는 모든 시스템에서 일반적인 자연적 성향은 질서로부터 무질서로 진행되며, 사용 가능한 에너지가 미래로 갈수록 소실되는 것을 반영하는 것이 엔트로피 증가의 법칙이다.”1

진화에 관한 헉슬리(Sir Julian Huxley)의 전통적인 정의는 다음과 같다.

"확대된 의미로서 진화는 방향성이 있고, 필수적으로 비가역적인 과정으로 정의될 수 있으며, 그 과정에서 다양성이 증가하며, 결과물이 높은 수준으로 조직화되는 것을 의미한다. 우리의 현재 지식으로는 존재하는 모든 것들이 진화 - 자기 변환(self-transformation)의 하나의 과정 - 라는 관점을 제시한다." 2

한 예를 들면 "관찰되는 모든 시스템들은…질서에서 무질서방향으로 간다"와 "모든 존재하는 것들은 그 결과물이 높은 수준으로 조직화된다”를 비교해 볼 수 있다. 이것은 진화 또는 엔트로피 법칙 중 하나가 심각한 오류가 있거나, 문법이 뭔가 잘못된 것임이 분명하다.

그러나 엔트로피 법칙은 다름 아닌 열역학 제 2법칙이다. 이 법칙은 과학에 있어서는 보편적이고 확실한 법칙인 것이다. 하지만 제 2법칙에 대해 논하기 전에 우리는 먼저 제 1법칙과, 열역학 법칙 그 자체에 대해 정의해야 할 것이다.

열역학(thermodynamics)이라는 말은 2개의 그리스어로 구성되어 있는데 열(heat)이라는'therme”과, 힘(power)을 의미하는 'dunamis”로 구성되어 있다. 열을 포함하는 에너지나 힘(power)를 이야기하는 것이 과학이고, 그러한 것들을 다른 형태의 에너지로 전환하는 거이 과학이다. ‘에너지’라는 용어는 그 자체로는 그리스어의 일하다 인‘energeia’에서 왔고, 그것은 보통 일을 할 수 있는 능력으로 정의된다. 현대 과학 용어에서는 에너지와 일(work)은 같은 개념으로 간주되며, 힘에 의한 산물로 측정되는 에너지(힘)는 그것이 활동한 거리로 측정한다. 에너지를 갖는 것은 일하는 능력을 지닌 것이다. 즉 거리를 통한 힘을 수행하는 능력이다.

‘힘’의 개념은 시간이라는 요소가 계산에 들어가야 하는 것을 제외하고는, 에너지와 매우 관련 깊은 개념이다. 힘(power)이란 것은 1초당 1파운드 무게의 물체를 1피트 올리는 일의 양이란 의미에서 단위시간당 측정된 완료된 일, 또는 일을 수행하기 위해 소용된 에너지를 의미하는 것이다.

 

열역학 제 1 법칙 (The First Law of Thermodynamics)

모든 과정이 기본적으로 에너지 전환 과정이고, 물리적 우주 공간에서 일어나는 모든 것들이 그런 종류의 것들이기 때문에, 열역학에서의 2개의 법칙이 모든 과학 법칙 중에서 가장 보편적이고 근본적인 법칙이라는 것은 명백한 사실이다. 우주에 존재하는 모든 것은 에너지의 한 형태로써 존재하며, 일어나는 모든 현상들은 에너지 전환의 한 형태로 일어나게 된다. 그러므로 에너지와 에너지의 전환을 결정하는 법칙은 우리가 살고 있는 세계를 이해하는데 있어서 가장 중요한 것이다.

아시모프(Isaac Asimov)는 첫 번째 법칙을 이렇게 정의했다.

"모든 것을 표현하기 위해 우리는‘에너지는 한 곳에서 다른 곳으로 옮길 수 있고, 한 형태에서 다른 형태의 것으로 전환이 가능하다. 하지만 그것은 생성되거나 소멸될 수 없다’라고 말할 수 있다. 또는 다른 방식으로‘우주에 존재하는 에너지의 총합은 일정하다’라고 정의할 수 있다. 어떤 것의 전체 양이 변하지 않는다면, 우리는 그것이 보존되어 있다(conserved)고 말한다. 위에 주어진 두 문장은 에너지 전환의 법칙을 표현하는 두 가지 방식이다. 이 법칙은 과학자들이 우주에 관해 만들어 낼 수 있는 것 중 가장 강력하고 기본적인 일반화라고 여겨진다.” 3

아시모프는 이 법칙에 대해 말하는 과정에서 매우 흥미로운 것을 지적했다. "아무도 왜 에너지가 보존되어 있는지(conserved) 모른다.” 물론 그는 과학은 우리에게 에너지가 왜 생성되거나 소멸되지 않는지를 말해줄 수 없다고 말해야만 할 것이다. 그러나 성경은 거기에 대해 우리에게 이런 정보를 제공하고 있다.

왜 현재 에너지가 생성되지 않는지에 관한 이유는 오직 하나님만이 에너지를 생성시킬 수 있기 때문이며, 하나님이 창조사역을 하신 뒤 쉬셨기 때문이다 (창세기 2:3). 에너지가 현재 소멸되지 않는가에 대한 이유는 하나님이 "...그의 능력의 말씀으로 만물을 붙드시며... (히브리서 1:3)” 때문이다.

"무릇 하나님의 행하시는 것은 영원히 있을 것이라 더할 수도 없고 덜할 수도 없나니 하나님이 이같이 행하심은 사람으로 그 앞에서 경외하게 하려 하심인 줄을 내가 알았도다” (전도서 3:14)

 

고전적 열역학 제 2 법칙 (The Second Law in Classical Thermodynamics)

제 1법칙은 그 자체로 진화에 대한 강력한 반증이 된다. 왜냐하면 그것은 우주에서의 안정적인 기본적 조건을 암시하고 있기 때문이다. 우주의 근본적인 구조는 혁신적인(innovative) 것이 아니라, 잘 보존되어(conserved) 있는 것이라는 점이다. 그러나 그 자체로서만 진화론자들에게 감명을 주지는 못한다. 왜냐하면 그들은 단순히 진화의 과정도 에너지 보존의 골격 안에서 이루어진다고 생각하기 때문이다. 그들은 이 모든 에너지가 처음에 어떻게 생겼는지, 생긴 이후에 어떻게 일정하게 유지되는지를 생각하려하지 않는다.

그러나 진화 이론을 무너뜨리는 열역학 제 2법칙이 있다. 변화에는 보편적 과정이 있으며, 그것은 방향성이 있는 변화이지만, 그것이 보다 상위의 것으로의 변화는 아니라는 것이다.

고전적 열역학에서 이야기하는 제 2법칙은 제 1법칙과 같이 에너지를 기술하는 데에서 공식화되었다.

"자연이 그 규칙을 어기도록 강요받는 것처럼 보이는 것은 에너지 전환 과정(transformation process)이며, 그것은 제 2법칙이 그 모습을 드러내는 곳이기도 하다. 자연적으로 일어나는 모든 에너지의 전환과정은 어느 부분에선가 미래에서 일할 수 있는 부분의 에너지의 사용가능성이 손실된다는 것이다” 5

이러한 경우에 엔트로피는 열의 비가역적 방향을 기술하는데 있어서 수학적으로 표현될 수 있다. 그것은 미래의 일을 수행할 수 없게 되는 에너지 전환 과정에서의 에너지의 양을 정량적으로 표현하는 방법이다. 일이 수행되기 위해서는 사용 가능한 에너지가 높은 수준에서 낮은 수준으로 흘러야한다 (flow). 에너지가 낮은 수준에 도달하면 에너지는 여전히 존재하지만 더 이상 일을 수행할 수는 없다. 열은 자연적으로 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐를 것이다. 하지만 차가운 곳에서 다시 뜨거운 곳으로 흐르지는 못한다.

이러한 이유로 어떠한 과정도 에너지를 일로 전환하는데 있어서 100%의 효율로 진행될 수 없다. 마찰을 극복하기 위해 무언가가 사용될 것이고, 그것은 재생할 수 없는 열에너지로 분해될 것이다. 그것은 마침내는 사방으로 퍼져 흩어지고 말 것이다. 그러한 이유로 스스로 유지되는 영구적으로 움직이는 기계는 불가능한 것이다.

우리가 앞서 언급했듯이 물리적 세계에서 모든 것은 어떤 형태의 에너지이며, 모든 과정에 있어서 에너지는 사용 불가능한 것이기도 하기 때문에, 우주에 있는 모든 에너지가 궁극적으로는 사용 불가능한 에너지로 될 것이라는 것은 명백한 사실이다. 현재 과정이 충분히 오래 지속된다면 말이다. 그런 일이 실제 일어난다면 모든 다양한 형태의 에너지들이 점차로 다양한 과정을 통해 일률적으로(즉, 무작위적으로) 열에너지로 흩어지게 될 것이다. 모든 것은 동일한 낮은 온도로 존재할 것이다. 거기에는 다른 에너지 수준이란 존재하지 않을 것이므로, 에너지의 흐름을 만들 에너지의 차(gradient)도 없을 것이다. 더 이상의 일이 수행될 수 없으며, 우주는 물리학자들이 이야기하는 '열 죽음(heat death)'에 이를 것이다.

그러므로 제 2법칙이 증명하듯이 우주는 시작되었었다. 비슷하게 열역학 제 1법칙은 우주가 그 자체로 시작될 수 없음을 보여준다. 우주 내에서의 에너지의 전체 양은 일정하지만, 사용 가능한 에너지의 양은 줄고 있다. 그러므로 과거로 돌아가 보면 사용 가능한 에너지가 좀더 많았을 것이고, 마침내 우리는 사용 가능한 에너지와 전체 에너지가 같은 수준인 우주의 시작지점에 있을 것이다. 그 시점보다 더 뒤로 시간을 뒤로 할 수는 없다. 그 시점에서 에너지와 시간이 존재하게 되었음이 분명하다. 에너지는 그 자체로 생성될 수 없기 때문에 가장 과학적이고 논리적인 결론은 이렇게 도출될 수 있을 것이다. '태초에 하나님이 천지를 창조하셨느니라”

그러나, 진화론자들은 이러한 결론을 받아들이지 않을 것이다. 그들은 제 2법칙을 무효화하는 어떤 자연적 법칙이 어느 시기에 우세했을 것이라던가, 그러한 자연적 법칙이 어느 공간에서는 우세했을 것이라는 가정을 한다.

그러나 그들이 그런 가정을 하면 그들은 모든 사물들이 현재 관찰 가능한 법칙과 과정을 설명할 수 있다는 그들 자신의 원리를 부정하는 셈이 된다. 그들은 실제로는 창조론에 의지하면서도 창조주에 대해 아는 것은 거부하는 자들이다.

 

엔트로피와 무질서 (Entropy and Disorder)

엔트로피 법칙을 설명하는 두 번째 방법은 통계적 열역학 용어로 설명하는 방법이다.  오늘날 모든 과학적 법칙이 실험적으로 증명이 가능할 뿐 아니라, 통계적으로 증명 가능하다는 것은 알려져 있는 바이다. 기체를 예로 들면, 수많은 각각의 분자들은 전체적으로 예측되는 패턴을 만드는 방식으로 움직일 것이다. 비록 개개의 분자들이 일반기준에서의 편차는 있겠지만 말이다. 그러한 방식을 설명하는 법칙은 엄격하게 역학적이라기보다는 통계적으로, 확률적으로 공식화될 것이 분명하다. 그렇다면 열역학법칙은 이론적으로 개연성있는 주장들의 제한된 예로 추론될 수 있어야 한다.

이 문장에서 엔트로피는 한 시스템 내에서 무질서 정도와 관련된 확률 기능이다. 더욱 무질서한 시스템일수록 더욱 그럴 것이다.

"모든 실제하는 과정들은 엔트로피의 증가를 수반한다. 엔트로피는 또한 시스템의 임의성(randomness), 또는 질서가 부족한 정도를 나타낸다. 임의성이 클수록 엔트로피는 크다.”6

보편적으로 표현되는 말을 다시 적어보면 아시모프는 흥미롭게 이 개념을 다음과 같이 기술했다.

"제 2법칙을 다른 방식으로 표현하면 "우주는 일정하게 점점 무질서해지고 있다"이다. 이러한 관점에서 보면, 제 2법칙은 우리 모두에 관한 것임을 알 수 있다. 우리는 방을 정돈하기 위해 힘들게 일해야만 한다. 그렇지만 그대로 두면 매우 쉽게 금방 엉망이 되어버리고 만다. 우리가 그 방에 들어가지 않는다 해도, 곧 먼지가 쌓이고 곰팡이가 생기기 마련이다. 집이나 기계를 유지하고 잘 일할 수 있도록 우리 몸을 유지하는 게 얼마나 어려운 일인가. 그냥 망가뜨리는 것은 또 얼마나 쉬운가. 사실 우리가 하는 모든 것은 아무 것도 아니며, 모두 망가뜨리고 부수고 닳아 없애는 것이다. 이것이 바로 제 2법칙이 무엇인가에 대한 모든 것이다.”7

질서로부터 무질서로 가는 경향이 모든 실제 과정에서 적용된다는 것을 기억하라. 물론, 실제하는 과정들은 화학, 물리적 과정에서뿐만 아니라, 생물학적, 지질학적 과정이 모두 포함된다. 흥미로운 질문은 '어떻게 실제 생물학적 과정들이 질서에서 무질서로 가야하는데 진화를 이루어낼 수 있는가? 진화는 무질서에서 질서로 가는 것인데…”라는 것이다. 아마도 진화론자들은 이 질문에 대한 답을 궁극적으로는 찾을는지 모른다. 하지만 적어도 그들은 이 법칙을 무시한 것이 되고 대부분의 진화론자들이 현재 그렇다.

특별히 우리가 거시적 관점에서 원자로부터 아담이, 입자로부터 사람이 만들어졌다는 진화론에 대해 생각할 때 이런 질문은 매우 중요하다. 진화는 질서와 복잡성이 절대적으로 증가되는 일이며, 이것은 명백히 열역학 제 2법칙에 위배되는 것이다.

 


Footnotes

1 . R. B. Lindsay: 'Physics - To What Extent Is It Deterministic?' American Scientist, Vol. 56, Summer 1968, p. 100.

2. Julian Huxley: 'Evolution and Genetics' in What is Man? (Ed. by J. R. Newman, New York, Simon and Schuster, 1955), p.278.

3. Isaac Asimov: 'In the Game of Energy and Thermodynamics You Can’t Break Even,' Smithsonian Institute Journal, June, 1970, p. 6.

4. Ibid.

5. R. B. Lindsay: 'Entropy Consumption and Values in Physical Science,' American Scientist, Vol. 47, September, 1959, p. 378.

6. Harold Blum: 'Perspectives in Evolution,' American Scientist, October, 1955, p. 595.

7. Isaac Asimov: op cit, p.10



번역 - 미디어위원회

링크 - http://www.icr.org/pubs/imp/imp-003.htm

출처 - ICR, Impact No. 3, 1973

구분 - 3

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=654

참고 : 6553|6486|6550|6149|6132|5081|5130|4639|5740|5683|5420|5994|6449|4821|6263|6018|6468|6148|6474|5510|5947|5954|5591|6211|5589|5602|5966|4837|6090|485|3890|390|2349|3782|6438|4510|5474|6495|5458|6243|5863|2698|6399|5460|6489|5135|5000|4828|6118|6394|6168|6138|5996|774|5497|5827|5158|5962|6358|6258|6119|4066|5544|5443|6556|6501|6096|5459|5274|5450|5909|6461|6436|5586|4542|5041|3391|6393|6476|6292|5796|5768|6271|5462|6146|6439|3591|6125|3426|6285|6152|6153|6022



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