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‘아인슈타인의 냉장고’라... 제목으로 보고 아인슈타인과 냉장고가 무슨 관련이 있지? 이런 생각부터 들지만 아인슈타인과 냉장고는 매우 관련이 깊다. 아인슈타인과 레오 실라르드와 함께(레오 실라르드는 원자폭탄 개발을 촉구한 편지를 맨 처음 쓴 사람으로도 유명하다) 실제 냉장고를 개발했었다. 시토겔(Citogel)이라는 회사까지 설림하고 단순하고 안전하면서도 저렴한 냉장고를 개발하고 가전제품박람회에 전시까지 했던 이력이 있다(1928년). 메탄을을 이용한 냉장고였는데, 마침 프레온이라는 매우 효율 좋고 인체에 무해한 냉매가 개발되면서 역사 속으로 사라져버리고 말았지만, 아무튼 아인슈타인은 냉장고 개발에 진심이었다.

그러나 ‘아인슈타인의 냉장고’라는 표현은, 그런 안전한 냉장고를 개발하는 것만을 의미하지는 않는다. 냉장고는 열역학을 이용한 대표적인 발명품이다. 아인슈타인은 상대성이론으로 유명하고, 광전효과로 노벨상을 받았지만, (냉장고를 개발하려는 데에서도 볼 수 있듯이) 그에 못지않게 열역학에 관심이 많았다. 사실 그의 상대성이론 자체도 열역학에 관심이 많았던 제임스 클러크 맥스웰의 이론에서 나온 것이었다. ‘아인슈타인의 냉장고’는 아인슈타인이라는 누구라도 아는 인물의 권위에 기댄 측면이 없지는 않지만, 이 책이 열역학에 대한 이야기라는 것을 함축하는 데 더할 나위 없이 적절한 표현인 셈이다.

열역학은 현대 문명을 지탱하는 중요한 분야다. 불 자체가 열역학의 산물이기도 하지만, 1850년대 이후 열역학이라는 학문 분야가 시작된 이래 인간과 가축의 근력 대신에 석유, 가스, 수력, 핵력을 에너지원으로 이용하기 시작했고, 이로써 더 건강하고 길게 살 수 있게 되었으며, 보다 많은 것을 누리면서 살게 되었다. 산업혁명이라는 것이 결국은 에너지를 어떻게 얻을 것인가에서 시작되었다고 본다면, 에너지원을 극적으로 대체한 열역학은 산업혁명에서 가장 중요한 과학적 발견이었으며, 산업혁명의 영향력 하에 있는 현대 문명은 열역학의 우산 아래에서 펼쳐졌다고, 미래도 그러하리라고 볼 수 있는 것이다.

폴 센은 바로 그 열역학 개념의 시작과 발전, 열역학의 응용, 개념의 변화 등등을 이 분야의 주요 과학자들의 성과를 통해서 흥미롭게 보여주고 있다(“열역학은 위대한 과학일 뿐만 아니라 위대한 역사이기도 하다.”, 11쪽).

열역학은 서른 여덟의 나이에 정신병원에서 콜레라로 숨진 카르노에서 비롯된다고 쓰고 있다(이는 거의 모든 이들의 동의하는 바다). 그는 《불의 동력에 관한 소고》를 통해 열역학의 개념을 처음으로 제시했다(“동력을 생산하려면 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흘러야 한다.”). 1824년의 일이었다. 이미 영국에서는 증기기관이 개발되어 사용되고 있었는데, 이에 관한 이론적 근거를 제시한 것이다.

그 이후로 영국의 제임스 줄은 처음으로 동력원의 효율을 비교하면서 일(work)이 열의 궁극적인 원천임을 밝혔고, 윌리엄 톰슨(나중에 캘빈 경이 된다)은 ‘열역학’이라는 단어를 처음 썼으며, 카르노와 줄의 생각을 통합시켰다. 독일의 헤르만 헬름홀츠는 열역학의 관점을 생명체에 처음 적용했으며, 완전히 다른 것으로 보이는 중력이라든가 물체의 운동, 전기 등이 본질적으로 동일한 것이라는 것을 확인했다. 이후로 클로우지우스는 열역학의 주요 법칙(“열과 일의 총량이 변하지 않는다”와 “열은 차가운 곳에서 뜨거운 것으로 자발적으로 흐르지 않는다.”)을 발표하여 열역학을 과학의 주요 분야로 위치시켰다. 엔트로피의 개념을 만들어낸 것도 루돌프 클라우지우스였고, 열이라는 것이 입자의 운동 속도와 관련이 있다는 것을 밝혀낸 것도 바로 그였다.

전자기와 자기장을 통합시켜 위대한 과학자가 된 제임스 클러크 맥스웰도 한동안 열역학 연구에 빠졌었다. 그와 그의 아내 캐서린은 자신의 집 다락방에 실험실을 꾸미고 기체의 점성과 압력의 관계를 측정했다. 이를 통해 클라우지우스의 이론을 실험으로 증명하였다. 그러나 여전히 열역학 제2법칙은 미스터리인 상태였는데(열은 ‘왜’ 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르는가?), 이에 대한 해결은 결정론적인 이론이 아니라 통계적인 해석에서 나왔다. 바로 루트비히 볼츠만과 조사이어 월러드 기브스의 기여였다. “볼츠만은 열역학 법칙이 성립하는 이유를 이해하기 위해 안으로 파고들었고, 기브스는 법칙의 결과를 이해하기 위해 밖으로 나아갔다”고 할 정도로 둘은 방향이 달랐지만(성격도 아주 달랐다), 결국은 엔트로피가 ‘거의’ 항상 증가한다는 것인 통계적인 이유에서 비롯된다는 것을 알아냈다. 볼츠만은 학계의 공격에 견디다 못해 자살하고 말았는데, 볼츠만의 이론을 입증해낸 것은 바로 막스 플랑크였다. 그는 볼츠만이 틀렸다는 것을 입증하기 위해 연구를 시작했지만 결국은 자신의 의도와는 달리 볼츠만이 옳았다는 결론을 내리고 말았는데, 거기서 양자역학이 시작되었다. 그러니 양자역학은 열역학과 밀접한 관련을 가질 수 밖에 없다.

이후의 전개는 더욱 화려해진다. 알베르트 아인슈타인이 등장하고, 에너지 보존 법칙을 입증해낸 에미 뇌터라는 (대중에겐 가장 낯선) 천재 과학자가 등장한다(폴 센은 “현대 입자물리학은 뇌터의 정리에서 출발하여 뇌터의 정리에서 끝난나고 해도 과언이 아니다”라고 할 정도로 그의 업적을 높이 평가하고 있다). 놀라운 것은 클로드 섀넌의 정보 이론, 맥스웰과 실라르드의 도깨비(그들이 도깨비를 언급한 것은 훨씬 이전이었으나 그들의 도깨비는 2차 세계대전 이후에 다시 소환되어 인기를 끈다), 롤프 란다우어와 찰스 베넷의 비트 연구, 앨런 튜링의 생명의 발달에서 열역학적 적용, 그리고 스티븐 호킹의 블랙홀. 열역학이야말로 현대 문명에서 필수적일 뿐만 아니라 인간의 호기심을 불러일으키거나 일부를 충족시키는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 여실히 보여주고 있다.

물론 열역학의 이론과 실제는 매우 어렵다. 수식을 등장시키면 더욱 그러할 것이고, (이 책뿐만 아니라 대부분의 대중과학서적에서처럼) 수식을 쓰지 않더라도 쉽지는 않다. 하지만 폴 센은 대중에게 과학을 쉽게 보여주는 것을 목적으로 하는 과학 TV프로그램 제작자답게 거의 모든 과학자들의 개념을 예를 통해 설명하고 있다. 그가 도입하고 있는 예들은 그 과학자가 실제로 들었던 예도 있지만, 개념을 더 잘 설명하기 위해서 그가 고안한 예들이 많다. 이 예마저 쉽지 않은 경우도 있지만, 조금만 생각하면 무엇을 전달하려는 것인지를 알 수 있을 만큼 적절한 예들이다. 열역학을 이해시키기 위해서 들인 저자의 노력을 인정하지 않을래야 않을 수 없다.

예전부터 나는 열역학을 시간과 관련되어 있다는 점이 가장 신기하고 놀라운 표현이라고 생각했다. 그것이 비유라는 생각도 했었는데, 이 책을 통해 그게 비유가 아니라 실제적인 내용이라는 것을 완전히 이해했다.

“시간이 흐르는 방향이란 곧 엔트로피가 증가하는 방향이다. 우리가 과거와 미래를 구별할 수 있는 이유는 미래의 엔트로피가 과거보다 더 크기 때문이다.” (191쪽)

열역학은 현대 문명의 기초가 된 응용과학이지만, 또 어쩌면 과학의 철학 같다.

과학에세이가 아니다. 분류상 과학일반서이다.

적어도 가볍게 읽을 수 있는 책은 아니지만, 딱딱하고 차가운 이미지의 '과학'에서 뜨겁고 열정 가득한 학문으로 달리 보게 된 계기가 된 책이다.

(p.11) 1920년대 후반 아인슈타인은 당시 시판되던 냉장고의 가격을 낮추고 안전성을 높이기 위해 새로운 냉장고를 설계한 적이 있다...  1926년 베를린의 한 가정집에서 냉장고의 파이프를 타고 흐르던 유독가스가 새어나와 어린아이를 포함한 여러 명이 사망했다. 이 비극적 뉴스를 접한 아인슈타인은 안전한 냉장고를 만들기로 마음먹었다고 한다. 열역학은 위대한 과학일 뿐만 아니라 위대한 역사이기도 하다.

사디 카르노의 ＜불의 동력에 관한 소고＞에서 열역학은 시작된다. 이것은 '다른 분야에 종사하는 사람들(과학자가 아닌 사람들)도 이해할 수 있어야 한다'는 원칙하에 간단명료한 문장으로 쓰여졌다고 한다. 이 ＜아인슈타인의 냉장고＞도 그러하기를 기대하면서 읽었다. 우리가 한 번쯤은 들어봤음직한 모든 과학자들과 함께 열역학은 발전했다. 그 결과 오늘 우리가 누리는 안락과 풍요로움이다. 

이 책의 에필로그 첫머리에 책의 목적이 명시되어 있다. 열역학이 기초과학에 얼마나 중요한 분야인지를 강조하는 것이다,라고.

우리 일반대중이 지금의 이기를,  얼마간의 댓가를 치르고 사용하는 단순한 가치를 넘어선, 많은 과학자들의 생애에 걸친 집요한 노력과 열정, 그들 사이의 인과관계가 녹아있음을 알 필요가 있을 것 같다는 생각을 한다. 우리의 미래도 그 안에서 발전될 것이라는 확신도 든다. 

YES24 리뷰어클럽 서평단 자격으로 작성한 리뷰입니다.

http://www.yes24.com/Product/Goods/103752175

리뷰어 클럽 - 서평단 당첨되어 수령한 도서입니다. 

어려울 것 만 같은 '과학' 

철저하게 문과생인 나에게 열역학, 양자역학... 너무 어려운 이론들이 즐비해있으면

어쩌나 했는데

현대를 살아가는 우리에게 조금 더 깨어있게 만들어 줄 수 있는

질문으로 부터 시작된 발명품들,

그리고 끝없이 실패와 도전을 끝으로 세상이란 곳으로 나와 빛을 발하게 된 그들의 발명품들.. 

꽤나 두꺼운 책이여서 아직 완독까지는 못했지만

흥미있는 주제들과 소재를 가지고 있어서 빨리 책장을 덮는 짜릿함을 맛보고 싶다.

만족한 도서고, 과학과 역사

열정으로 빚어내는 성공기 등의 관심이 있다면 추천해주고 싶은 도서다.