영화에서 들어본...... 아, 그거? 그거!

최근에 크리스토퍼 놀란 감독의 영화 <테넷>을 봤어! 평소에 시간을 주제로 한 영화에 관심이 많아서 기대가 컸는데, 역시나 재밌고 복잡한 트릭이 많은게 흥미로운 영화였어. 특히 이 영화는 왜 이렇게 이해하기 어렵고 복잡한걸까? 생각이 많이 들었어. 이번 기회를 통해 영화에서 짚고 넘어가는 어려운 부분들을 최대한 쉽게(?) 설명해 보려해. 

테넷을 관통하는 인버전, 그리고 열역학의 시작...

테넷에서 주인공들은 '인버전'이라고 불리는 기술을 경험하게 돼. 이 인버전이라는 기술을 경험한 물건이나 사람들의 세계에선, 시간이 반대로 흘러. 여기서 이 인버전이라는 기술은, 엔트로피를 감소시킬 수 있는 기술을 말한대. 왜 엔트로피의 감소와 시간의 역행이 관련이 되는 걸까? 

열역학의 법칙들

열역학이란 무슨 학문이냐... 역학(力學) 에 대해 먼저 알아보자. 역학이란 한자 그대로 세계에서 존재하는 여러 힘들에 관련된 학문이야. 창문 바깥으로 지나가는 자동차가 앞으로 나아갈 때 필요한 추친력을 생각해 볼 수 있어. 이런 대부분의 운동하는 물체, 즉 움직이는 물체와 물체를 둘러싼 힘과 관련된 학문의 경우, 동역학이라고 해. 그럼 비슷하게 생각해볼게. 내가 냄비에 물을 넣고 뚜껑을 닫았어. 그리고 가스렌지에 불을 켰어. 냄비 바닥과 불을 가하는 부분을 구분한다면, 불을 켠다는 것은 냄비라고 규정된 어떤 부피를 가진 부분에 어떤 열을 가한다, 즉 열에너지를 주는 행위를 말해. 이처럼, 아까 언급한 운동과 관련된 에너지 (운동에너지), 즉 어떤 속도를 갖고 움직이는 물체를 다루는 학문이 동역학이였잖아. 어떤 '온도'를 갖고, 즉 열에너지를 갖는 물체와 이를 둘러싼 힘을 다루는 분야의 학문을 열역학이라고 해. 이렇게 금방 내가 에너지를 가하는 부분(냄비)를 정의한 것 처럼, 우리가 열역학에서 에너지의 출입(불을 켜서 에너지를 가함)을 쉽게 구분하기 위해서 어떤 경계로 구역을 정의해. 이 부분을 바로 계(system)라고 불러! 

후! 금방 내가 불을 켠 계를 냄비로 정의했잖아, 만약에 우리가 사는 이 세상 전체가 어떤 냄비 속이라면 어떨까? 예를 들면, 우리가 자동차를 타든- 석탄을 태우든- 방구를 뀌어서 메탄가스를 내뿜든- 지금 사는 세상 내부의 있는 사람들로 인해 발생한 에너지나 물체들은 다 어떤 정의된 냄비 안에만 존재하는거야.

냄비 속에 사는 작은 요정이 너무 추워서 냄비 안에서 성냥과 양초를 발견해서 열을 발생시킨다고 할게. 그럼 냄비 속에 온도는 증가할거고 열에너지 또한 증가할거야. 하지만 연료자체가 소모됨으로써 연료로부터 오는 에너지는 감소한거지. 그럼 냄비 속의 에너지의 합은 어떻게 변할까? 에너지의 합은 변하지 않아, 단! 냄비 외부에서 에너지를 가하거나 냄비 내부의 에너지를 빼내가거나 할 때를 제외하고는. 여기서 세계 속에 존재하는 모든 인간을 비롯한 생명체가 냄비 속의 요정이라고도 볼 수 있어. 아까 냄비에다 불을 켠다는건, 외부에서 에너지의 출입이 있다는 것을 말해. 즉, 냄비 속의 에너지는 증가한거지. 

다시 말하면, 이 냄비에 에너지가 가해지거나 아니면 이 냄비가 어떤 일을 하여 에너지를 내뱉거나, 하지 않는 한 냄비 속의 에너지의 합은 변하지 않아! 이를 좀 더 일반화하여 말한다면, 

이를 열역학 제 1법칙이라고 불러. 

아까 말했듯이, 냄비 속을 우리가 사는 세계라고 했잖아. 그럼 어떤 한 순간, 아침 오전 10시에 찰나의 순간에 중학교의 교실을 고대로 냄비 속으로 옮겨온다고 가정해보자. 딱, 오전 10시가 지나고, 시간이 지났어. 그때 수업이 끝나고 쉬는 시간 종이 쳤네? 의자에 앉아있던 학생들은 어떻게 될까? 자리에서 일어나서 친구랑 얘기도 하고, 매점에 가려고 교실 밖을 나가고자 하기도 할거야. 이처럼, 10시를 기준으로 볼 때, 시간이 지날수록 학생들이 움직이고 교실 안은 점점 더 복잡해질거야. 언제까지? 선생님이 아이들에게 제자리에 앉으라고 하거나, 아님 수업을 시작하는 종이 치기 전까지. 여기서 외부의 개입, 즉 선생님의 말씀이나 수업시간 종은 이 냄비 속에 존재하는 교실에 가해지는 외부 에너지의 출입을 의미해. 

이처럼, 어떤 에너지의 출입이 없는 냄비 속 교실에 있는 학생들의 무질서한 정도는 시간이 지날수록 증가한다 (혹은 유지된다), 즉, 무질서한 정도는 감소하지 않는다, 이를 열역학 제 2법칙이라고 불러. 우리가 사는 세계 또한 고립계라 보면, 무질서한 정도, 즉 엔트로피는 계속 증가하고 있는 중이야. 열역학 제 2법칙을 좀더 일반화하여 말하자면, 

테넷과 엔트로피 법칙

자, 그럼 다시 테넷으로 돌아와볼까..? 테넷에서 인버전은, 어떤 계의 엔트로피를 감소시킬 수 있는 기술이야. 위에서 열역학 제 2법칙에서, 어떤 '시간' 이라는 양이 증가할수록 엔트로피는 항상 증가하거나 같대. 여기서 시간이 지난다는 것을 모래시계의 모래 알갱이처럼 어떤 '양'이 쌓인다고 생각해볼게. 다시 말하면, 엔트로피의 양이 감소할 수 있다면, 시간이라는 양 또한 감소할 수 있다는 거지. 시간의 양이 감소한다는 건 무엇을 의미할까? 즉, 과거의 시간으로 돌아간다는 것. 그렇다면 엔트로피를 감소시켜, 시간이 거꾸로 가는 것이라고 볼 수 있겠지. 테넷에서 인버전과 시간 역행이라는 개념은 엔트로피 법칙에 상상력이 가미되어 만들어졌어.  

오늘은 열역학의 기본 법칙들 중 일부를 영화 테넷과 연관지어 설명해봤어. 다음 시간에는 그럼 왜 테넷이 다른 시간을 다룬 영화들과 구별되는지, 그리고 영화를 관통하는 할아버지 역설이란 무엇인지 알아볼게! 

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