최소 작용의 원리로 생명을 설명하는 방법

Question

'최소 작용의 원리'를 기반으로 "생명"이라는 개념을 어떻게 이해해야 할지에 대한 의문에 대해 문의드리고 싶습니다.

주지하고 계시는 바와 같이 세상을 보는 관점으로 아래와 같이 두 가지가 있는 것으로 알고 있습니다.

- (1) 뉴턴역학의 인과론적 방식 (2) 해밀턴역학의 '최소 작용의 원리'를 기반으로 한 목적론적 방식

그리고 결과값의 측면에서 뉴턴역학과 해밀턴역학을 통하여 계산(서술)하는 값이 동일한 것으로 알고 있는데요.

(마찬가지로 양자역학과 해밀턴역학 간의 관계도 동일한 구조인 것으로 알고 있습니다)

인간을 포함한 생명 또한 원자로 구성된 우주의 일부이기에 물리법칙 하에서 움직이는 존재이므로,

뉴턴역학(양자역학의 확률론적 결정론)을 기반으로 충분히 생명의 탄생과 죽음을 이해할 수 있다고 생각합니다.

다만, 뉴턴역학과 해밀턴역학의 결과값이 같다면 생명의 탄생과 죽음을 '최소 작용의 원리'로도 이해할 수 있어야 한다고 생각하는데,

이 부분이 직관적으로 이해가 되지 않습니다.

단순하게 생각한다면 생명의 탄생이 최소 작용의 원리 하에서 발생한 사건이라면,

죽음은 탄생과 반대되는 사건이므로 최소 작용의 원리와는 반대되는 사건이지 않나라는 의문이 드는데 이에 대한 해답을 얻을 수 있을까요?

예를 들어, 생명의 기원 과정으로 추정되는 오파린 가설과 그 이후 이뤄지고 있는 생명의 탄생이 최소 작용의 원리에 부합한다면,

우주에서 최소 작용의 원리가 사라지지 않는 한 생명은 계속해서 유지되는 것이 최소 작용의 원리에 보다 적합한 것 같아 보이기 때문입니다.

(반대로, 죽음이 최소 작용의 원리에 적합한 사건이라면 생명의 탄생이 왜 발생하게 되는 걸까라는 생각이 들기도 하고,

더 나아가, 본연의 생명 활동 자체가 생명이라는 것이 존재하지 않는 상황 대비 최소 작용의 원리에 적합한 것이 맞는가? 라는 의문이 들기도 하네요.)

생명의 탄생을 고립계와 열린계의 관점에서 보느냐에 따라 엔트로피가 증가할 수도 있고, 혹은 감소하는 것이기도 하는 것처럼

이 또한 죽음이라는 사건에는 최소 작용의 원리를 설명할 수 있는 배경이 당연히 있을 것이라 생각하지만 그 내용이 무엇인지 매우 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

생명의 탄생과 죽음을 최소 작용 원리의 관점에서 이해하려는 시도는 생명현상을 근본적인 물리학적 법칙과 연결 지으려는 매우 과학도다운 접근입니다. 최소 작용의 원리는 물리 시스템이 특정 초기 상태에서 최종 상태로 이동하는 과정에서 작용(action), 즉 시간에 대한 에너지의 적분이 최소가 되는 경로를 선택한다는 원리입니다. 이는 고전역학뿐만 아니라 양자역학에서도 중요한 역할을 합니다.

생명의 탄생과 최소 작용의 원리 :

생명의 탄생을 최소 작용의 원리와 연결하여 생각할 때, 우리는 생명체가 복잡한 화학적, 물리적 과정을 거치면서 자발적으로 조직되고, 그 과정에서 에너지를 효율적으로 사용하여 엔트로피를 최소화하는 경로를 선택한다고 가정할 수 있습니다. 이러한 관점에서 볼 때, 생명의 탄생은 물질이 자발적으로 더 높은 구조적 복잡성과 기능적 효율성을 향해 진화하는 과정으로 볼 수 있습니다. 즉, 생명체는 주변 환경으로부터 에너지를 획득하고 이를 사용하여 내부 구조를 유지하고 복제하는 데 필요한 최소한의 작용을 달성합니다.

죽음과 최소 작용의 원리 :

반면, 죽음은 생명체가 더 이상 에너지를 효율적으로 관리하거나 환경 변화에 적응하지 못하게 될 때 발생합니다. 이는 시스템의 총 에너지 효율성이 저하되고, 내부적인 엔트로피가 증가하여 시스템이 더 이상 최소 작용의 경로를 유지할 수 없게 되는 상태로 볼 수 있습니다. 따라서 죽음은 생명체가 에너지와 엔트로피의 관리에서 최적의 상태를 유지하게 못하게 됨으로써 최소 작용의 원리에서 벗어나는 결과로 해석할 수 있습니다.

생명의 유지와 최소 작용의 원리 :

생명의 지속적인 유지는 에너지와 물질의 흐름을 통해 열린 시스템에서 지속적으로 엔트로피를 감소시키려는 경향과 관련이 있습니다. 생명체는 환경으로부터 에너지를 흡수하고, 이를 사용해 내부 질서를 증가시키며, 결과적으로 엔트로피를 감소시킵니다. 이 과정은 열역학 제 2법칙과 일치하며, 생명체가 존재하는 동안 최소 작용의 원리에 부합하는 경로를 따른다고 볼 수 있습니다.

종합적으로 생명의 탄생, 죽음, 유지는 최소 작용의 원리의 틀 안에서 서로 다른 방식으로 해석될 수 있습니다. 이러한 이해는 생명현상을 물리학적 법칙과 연결하는데 중요한 통찰을 제공하며, 생명의 본질과 진화에 대한 더 깊은 이해를 가능하게 합니다.