우주의 시작과 시간의 방향: 팽창하면 엔트로피도 반드시 늘까?

연대표와 시간의 화살은 서로 다른 설명입니다

우주 연대표는 사건이 어떤 순서로 일어났는지 정리합니다. 시간의 화살은 왜 거시적 과정이 한 방향으로 더 자연스럽게 나타나는지 묻습니다. 연대표에 화살표를 그었다고 비가역성의 원인이 설명되는 것은 아닙니다.

예를 들어 우주가 냉각하면서 원자가 만들어지고 별이 생겼다는 역사는 각 단계의 물리 조건에 대한 설명입니다. 그 과정 전체가 왜 특별한 과거에서 출발했는지는 초기 조건과 통계적 논의를 더해야 합니다.

초기 우주의 사건은 모두 직접 촬영된 것이 아닙니다

표준적인 설명에서 초기 핵합성은 빅뱅 뒤 수분 무렵의 과정이며, 원자 형성과 광자 분리는 약 38만 년 무렵으로 요약합니다. 이 숫자는 교육용의 대략값으로 서로 같은 정밀도를 가진 직접 시각 측정이 아닙니다.

인플레이션처럼 더 이른 단계는 모형에 따라 설명이 달라지는 부분이 있습니다. 확립된 열적 역사와 가설적 극초기 과정을 한 연대표에 담을 때에는 증거의 성격을 함께 적어야 합니다.

팽창만으로 엔트로피 생성을 결론 낼 수 없습니다

이상적인 가역적 단열 팽창에서는 온도와 밀도가 변해도 함께 따라가는 계의 엔트로피는 일정할 수 있습니다. 따라서 부피 증가나 냉각이라는 현상만으로 엔트로피가 새로 생성됐다고 말하면 안 됩니다.

실제 우주에는 충격파, 별의 복사, 에너지 전달과 중력 붕괴 등 다양한 비가역적 과정이 있습니다. 팽창 배경 속에서 어떤 과정이 엔트로피를 생성하는지 나누어 살펴야 합니다. “우주가 커져서 시간이 앞으로 간다”는 문장은 이 구분을 생략합니다.

같은 공간인가, 함께 팽창하는 영역인가를 확인합니다

계의 경계를 어디에 두는지에 따라 비교하는 물리량이 달라집니다. 일정한 크기의 상자와 우주 팽창을 따라 커지는 영역은 같은 계가 아닙니다. 영역을 드나드는 에너지와 물질을 빼놓으면 엔트로피 변화도 잘못 해석할 수 있습니다.

이를 이해하는 일상적인 예는 냉장고입니다. 내부가 차가워지고 일부 엔트로피가 줄어들더라도 전기와 주변으로 방출된 열까지 포함하면 전체 과정은 제2법칙과 양립합니다. 우주에서도 부분 영역의 변화와 전체의 경향을 구별해야 합니다.

수축하는 우주라고 기억이 거꾸로 흐르지는 않습니다

일부 우주론 모형에서 미래 수축을 상정할 수 있다고 해도 그것만으로 엔트로피 증가 방향과 기억의 방향이 자동 반전되는 것은 아닙니다. 팽창률의 부호와 열역학적 경계 조건은 서로 다른 정보입니다.

시간 방향을 설명하려면 어떤 과거 조건을 놓았는지, 어떤 계를 관찰하는지와 어떤 비가역적 과정이 진행되는지 함께 살펴야 합니다. 이 글의 결론은 팽창이 중요하지 않다는 뜻이 아니라, 중요한 여러 효과를 한 단어로 대신하지 말자는 것입니다.

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