열역학 제2법칙 엔트로피(Entropy) 증가의 법칙이 우주의 종말을 의미하나요?

Question

물리학에서 열역학 제2법칙인 '엔트로피 증가의 법칙'에 대해 공부하고 있습니다. 고립계 내에서 무질서도가 항상 증가하는 방향으로 자연 현상이 일어난다는 개념인데, 이 현상이 우주 전체로 확장되었을 때 열사(Heat Death)라는 우주의 종말론으로 이어지는 물리학적 원리가 알고 싶습니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

우주 바깥에는 에너지를 주고받을 대상이 없어요. 그래서 우주 전체를 하나의 고립계로 보면 엔트로피는 계속 늘어나요. 엔트로피가 최대가 되는 상태는 모든 곳의 온도가 같아진 열평형이에요.

일은 온도 차가 있어야 뽑아낼 수 있어요. 별, 바람, 생명 활동 모두 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르는 에너지를 이용해요. 온도가 어디서나 같아지면 에너지는 그대로 남아 있지만, 쓸 수 있는 형태로는 하나도 남지 않아요. 이 상태를 열죽음(열사)이라 불러요. 우주가 폭발로 끝나는 게 아니라 아무 일도 일어나지 않는 상태로 조용히 굳어 가요.

약 100조 년 뒤면 별을 만들 가스가 바닥나 새 별이 태어나지 않고, 남은 별도 차례로 식어요. 블랙홀은 호킹 복사로 아주 천천히 증발해 10¹⁰⁰년 정도 뒤에 사라져요. 가속 팽창하는 우주에는 절대영도에 가까운 희미한 복사만 남아요.

그런데 확정된 미래는 아니에요. 중력이 작용하면 물질이 뭉칠수록 엔트로피가 커져서 일반적인 기체와 다르게 계산해야 해요. 팽창하는 우주에서는 엔트로피 최댓값 자체도 계속 커져요. 암흑에너지의 정체에 따라 우주가 찢어지거나 다시 수축하는 시나리오도 아직 배제되지 않았어요 :)