켈빈 경 절대 영도, 온도에 진짜 바닥이 있다는 걸 처음 밝혀낸 이야기

온도계마다 '0도'가 달랐던 혼란의 시대

만약 수학 시험에서 선생님마다 '100점 만점'의 기준이 다르다면 어떨까요? A 선생님은 맞춤법까지 봐서 100점이고, B 선생님은 풀이 과정만 봐서 100점이에요. 성적표를 받아도 내가 진짜 잘한 건지 알 수가 없겠죠. 1800년대 과학자들이 딱 이 꼴이었어요.

그때 온도를 재는 기준이 여러 개였거든요. 섭씨(°C)는 물이 어는 점을 0도로 잡았고, 화씨(°F)는 소금물이 어는 점을 0도로 잡았어요. 둘 다 사람이 편의상 정한 기준이라, '진짜 가장 차가운 온도'가 뭔지는 아무도 몰랐어요. 영하 100도? 영하 1000도? 끝없이 추워질 수 있는 건지, 어딘가에 바닥이 있는 건지 답이 없었죠.

과학자들은 열이 뭔지도 제대로 이해하지 못하고 있었어요. 열을 '칼로릭'이라는 눈에 안 보이는 액체 같은 물질이라고 믿는 사람도 있었거든요. 온도의 진짜 의미를 모르니, 증기기관을 만들어도 왜 작동하는지 설명할 수 없었어요. 이 혼란 한가운데, 아일랜드 벨파스트에서 태어난 천재 소년 하나가 열의 비밀을 파헤치기 시작했어요.

더 이상 추워질 수 없는 '진짜 바닥'을 찾아냈다

그 소년의 이름은 윌리엄 톰슨, 나중에 '켈빈 경'이라는 칭호를 받은 사람이에요. 놀랍게도 열 살에 대학에 입학했어요. 요즘으로 치면 초등학교 4학년이 대학교에 간 거예요! 그는 자라면서 한 가지 질문에 매달렸어요. "온도에 진짜 바닥이 있을까?"

켈빈은 온도의 정체를 꿰뚫어 봤어요. 온도란 결국 물질을 이루는 아주 작은 알갱이, 즉 분자들이 얼마나 빠르게 떨고 움직이느냐의 문제라는 거예요. 게임 캐릭터의 이동 속도라고 생각하면 쉬워요. 속도를 줄이고 줄이고 또 줄이면, 결국 완전히 멈추는 순간이 오겠죠? 바로 그 지점, 분자가 더 이상 움직일 수 없는 상태가 '절대 영도'예요.

켈빈은 계산을 통해 그 바닥이 섭씨 영하 273.15도라는 걸 알아냈어요. 그리고 이 절대 영도를 0으로 놓는 완전히 새로운 온도 체계를 만들었어요. 이게 바로 '켈빈(K)' 단위예요. 섭씨나 화씨처럼 사람이 편의상 정한 게 아니라, 자연이 정해 놓은 진짜 출발선이었죠. 이 발견 하나로 과학자들은 드디어 같은 자를 들고 온도를 이야기할 수 있게 되었어요. 하지만 켈빈의 진짜 대단한 업적은 여기서 끝이 아니었어요.

뜨거운 것에서 차가운 것으로, 우주의 방향이 정해졌다

켈빈은 절대 영도를 찾는 것에서 멈추지 않았어요. 그는 열이 움직이는 방향에 대한 놀라운 법칙을 세상에 알렸어요. 바로 '열역학 제2법칙'이에요. 이름은 어렵지만 내용은 간단해요. 뜨거운 것은 차가운 것 쪽으로 식지, 차가운 것이 저절로 뜨거워지는 일은 절대 없다는 거예요.

급식 시간에 갓 나온 뜨끈한 국을 떠올려 보세요. 그 국은 시간이 지나면 반드시 식어요. 하지만 식은 국이 혼자서 다시 펄펄 끓는 건 본 적 없죠? 이게 바로 열역학 제2법칙이에요. 너무 당연해 보이지만, 이걸 수학으로 정확하게 증명하고 법칙으로 세운 건 엄청난 일이었어요.

이 법칙 덕분에 과학자들은 우주 전체의 방향을 이해하게 됐어요. 우주는 점점 에너지가 골고루 퍼지면서 식어가고 있다는 것, 시간에는 되돌릴 수 없는 방향이 있다는 것을 알게 된 거예요. 켈빈의 이름은 온도 단위 'K'에 영원히 새겨졌고, 과학의 가장 기본적인 단위 일곱 개 중 하나가 되었어요. 그런데 이 먼 옛날 이야기가 지금 여러분의 일상과 무슨 상관이 있을까요?

냉장고도 로켓도, 지금 네 옆에 켈빈이 살아있다

지금 부엌에서 윙윙거리는 냉장고 소리가 들리나요? 냉장고는 열역학 제2법칙을 거스르는 것처럼 보이는 기계예요. 차가운 냉장고 안의 열을 바깥으로 빼내니까요. 하지만 그러려면 반드시 전기 에너지를 써야 해요. 공짜로는 절대 안 된다는 게 켈빈이 알려준 법칙이거든요. 냉장고 뒷면이 뜨거운 이유가 바로 이거예요!

스마트폰이 뜨거워져서 성능이 느려진 적 있죠? 그것도 열역학이에요. 로켓이 우주로 날아가는 것, 에어컨이 여름에 시원한 바람을 내뿜는 것, 유튜브를 볼 때 서버 컴퓨터가 열을 식히는 것까지 전부 켈빈이 정리한 원리 위에서 돌아가고 있어요.

열 살에 대학에 들어간 소년은 온도에 '진짜 바닥'이 있다는 걸 증명하고, 열이 흐르는 방향에 법칙을 세웠어요. 그 덕분에 우리는 냉장고에 아이스크림을 보관하고, 한여름에도 시원한 교실에서 공부할 수 있는 거예요. 오늘 집에 가면 냉장고 뒷면을 한번 만져 보세요. 따뜻하다면, 그건 200년 전 켈빈이 발견한 법칙이 지금 이 순간에도 작동하고 있다는 증거랍니다.