지난 번 세미나에서 "이제까지 '엔트로피 법칙'으로 우주와 물질과 생명을 모두 설명한다고 했는데, 갑자기 주체라는 문제는 그것으로 설명되지 않는다고 하면, 전체적인 자연철학적 구상과 논의가 약화되는 것이 아닌가?"라는 질문이 나왔습니다. 저는 '엔트로피 법칙'이라 부르는 것이 따로 있지 않다고 채팅창에 썼습니다. 채팅창에 쓸 때에는 서둘러 급하게 쓰느라 근거를 명확하게 할 수 없었지만, 차분하게 제가 어떤 생각을 하고 있었는지 설명해야 한다고 생각합니다.

1850년대에 나온 열역학 둘째 법칙이라 부르는 것은 고립계에서 엔트로피가 결코 줄어들 수 없다는 주장을 담고 있습니다. '주장'이라 부른 이유는 열역학의 법칙들은 일종의 공리로 설정된 것이고 그 자체로 실험적인 증명이 가능하지 않기 때문입니다. 열역학 전체의 출발점으로 네 개의 법칙을 설정하면, 이로부터 열현상을 다 이해할 수 있으리라는 것입니다.

여기에서 '법칙'이라는 말의 의미를 음미해 볼 필요가 있습니다. 영어로 law라고 하는데, 이것은 사회적인 법규와 같은 의미입니다. 더 정확하게 말하면 기독교 세계관과 연관되어 세상이 만들어져 굴러가게 만다는 신(God)의 법입니다. 자연에 법칙이라는 게 정말 있는지, 그리고 그것이 귀납적 추론과 같은 과학적 방법과 어떻게 연결되는지, 자연 법칙이 일반적이고 보편적인 것인지 등 과학철학에서의 논의는 매우 방대합니다.

그런데 역사적으로 보면 자연에 법칙이 있다는 관념은 대략 17세기에 생겨났고, 그 출발점 또는 가장 영향력 있던 접근이 바로 데카르트와 뉴턴입니다. 데카르트는 [철학의 원리]에서 바로 '운동의 법칙'이란 말을 처음 사용했으며, 뉴턴은 [자연철학의 수학적 원리]에서 셋으로 요약한 운동의 법칙을 내세웠습니다.

• Carroll, John W., "Laws of Nature", The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Winter 2024 Edition), Edward N. Zalta & Uri Nodelman (eds.),
  URL = https://plato.stanford.edu/archives/win2024/entries/laws-of-nature/
  

사람 이름이 붙는 법칙이 많이 있기 때문에 데카르트와 뉴턴이 말한 그 법칙의 성격과 지위를 오해하는 경우가 많습니다. 특히 뉴턴에게 운동의 세 법칙은 둘도 아니고 넷도 아니라 셋이며, 신이 세상을 만들어 운용하는 가장 근본적인 법입니다. 그리고 이는 철저하게 연역적 논리로 구성되어 있는 수학적인 자연철학의 세 공리입니다.

1850년대에 새롭게 등장한 열역학의 법칙도 다름 아니라 뉴턴의 운동 법칙과 같은 지위에서 제안되었습니다. 다른 영역과 달리 열현상, 즉 온도, 부피, 압력 같은 것이 문제가 되는 현상에는 뉴턴의 세 운동 법칙이 아니라 새로운 열역학 법칙이 지배한다는 생각입니다. 이것은 몇몇 사람들에게 심각한 문제로 여겨졌습니다. 제임스 클러크 맥스웰이나 루트비히 볼츠만은 뉴턴역학의 법칙과 독립된 별개의 열역학 법칙을 인정하고 싶어하지 않았습니다. 따라서 이들은 열역학 법칙을 뉴턴역학의 법칙들로부터 유도하는 일에 집중했습니다.

그러나 열역학을 뉴턴역학으로부터 유도하려는 노력은 실질적으로 실패한 프로그램이 되었습니다. 열역학 법칙들을 정당화하기가 쉽지 않았기 때문입니다. 가장 큰 문제는 '열동역학(thermodynamics, 熱動力學)' 즉 동역학(dynamics)의 일종으로서 시간적 변화를 서술할 수 있는 것처럼 이름이 붙었지만, 평형상태를 다루는 평형열역학에는 근본적으로 시간적 변화가 들어올 수 없어서, 결과적으로 '열정역학(thermostatics, 熱靜力學)에 머무르고 있다는 점이었습니다.

대신 열역학은 '통계역학'의 원대한 프로그램으로 대치되었습니다. 여하간 대상이 아주 많은 수의 구성원으로 이루어져 있다고 하고 거기에 대해 확률통계이론을 적용하면 열역학의 주장들도 어느 정도 끌어낼 수 있고 더 많은 설명이 가능해집니다. 이것이 통계역학입니다. 

뉴턴역학으로부터 유도되지 않는다면, 열역학의 법칙들은 결국 '공리'일 뿐이며 이는 직접적인 경험적 증거나 기타 다른 이론이나 논의에 기반을 둔 논리적 및 연역적 고찰의 대상이 되지 않습니다. 열역학 법칙들은 맨 처음에 가정하고 출발점으로 삼는 '공리'라는 점에서 실상 증명의 대상이 아니라 믿음의 대상이라고 말해도 크게 틀린 것은 아닐 것입니다.

요컨대, 소위 '엔트로피 법칙'이라는 것이 단지 열역학 둘째 법칙의 다른 이름이라면, 이것이 근본이 되어 구조의 생성과 생명의 발생과 우주의 변화를 설명하는 것은 불가능하거나 부적절합니다. 하지만 그런 상황을 염두에 두더라도 여전히 '엔트로피 법칙'이란 표현을 할 수 있을지 더 이야기 나누어 보면 좋으리라 생각합니다.

어쩌면, 조금 넓게 보아 '엔트로피 법칙'이라 부른 것이 대략 자유에너지 원리를 기반으로 삼아 통계역학적 설명을 이끌어내고 이로부터 우주와 그 안의 다양한 구조과 질서들이 만들어지고 다시 자체촉매적 국소실서가 생겨나서 온생명으로 이어지는 자연철학적 논의라고 말한다면 좀 다른 이야기가 될 수도 있겠습니다. 어떤 것을 염두에 두신 것인지 더 이야기해 보고 싶습니다.