과학자들은 시간이 왜 앞으로만 가는지 설명할 수 없었다

달걀을 바닥에 떨어뜨려 본 적 있죠? 노른자가 쫙 퍼지고, 껍데기는 산산조각이 나요. 그런데 영상을 거꾸로 돌리면 어떨까요? 노른자가 쏙 모이고, 껍데기가 착착 붙어서 완벽한 달걀이 되는 장면 — 실제로는 절대 일어나지 않잖아요. 그런데 1800년대 과학자들은 이걸 설명할 수가 없었어요.

그때까지 물리학의 법칙들은 전부 '시간을 뒤집어도 상관없는' 것들이었거든요. 공을 위로 던지는 영상을 거꾸로 돌려도 물리 법칙에 어긋나지 않아요. 그런데 현실에서 깨진 달걀은 왜 절대 다시 붙지 않을까요? 시간은 왜 항상 한 방향으로만 흐를까요?

당시 과학자들은 열과 에너지가 움직이는 규칙, 즉 '열역학'이라는 분야를 연구하고 있었어요. 뜨거운 국이 식는 건 당연한데, 식은 국이 저절로 다시 뜨거워지는 건 본 적 없잖아요. 분명 자연에는 '방향'이 있는데, 아무도 그 이유를 수학으로 깔끔하게 증명하지 못했어요. 바로 이 수수께끼에 도전한 사람이 오스트리아의 물리학자 루드비히 볼츠만이에요.

방이 어질러지는 건 '확률'이 압도적으로 높기 때문이라는 놀라운 답

볼츠만은 아주 기발한 생각을 했어요. "눈에 보이지 않는 아주 작은 알갱이, 즉 원자와 분자가 진짜로 존재한다면?" 그리고 그 수많은 알갱이들이 어떻게 배치되는지를 '확률'로 따져 본 거예요.

여러분 방을 떠올려 봐요. 방이 깨끗한 상태는 딱 한두 가지뿐이에요. 책은 책장에, 양말은 서랍에, 필통은 책상 위에. 그런데 어질러진 상태는요? 양말이 침대 위에 있을 수도, 의자 밑에 있을 수도, 책상 위에 있을 수도 있어요. 경우의 수가 수백, 수천 가지죠. 아무렇게나 물건을 던지면 깔끔해질 확률보다 어질러질 확률이 압도적으로 높은 거예요.

볼츠만은 이 원리를 원자 세계에 적용했어요. 원자 수가 어마어마하게 많으니까, 질서 있는 배열보다 무질서한 배열이 천문학적으로 더 많다는 거예요. 이 무질서한 정도를 '엔트로피'라고 불러요. 쉽게 말하면, 엔트로피는 '어질러짐 점수'예요. 볼츠만은 유명한 공식 S = k log W를 만들었는데, 여기서 W는 가능한 배열의 가짓수예요. 가짓수가 많을수록 어질러짐 점수가 높고, 자연은 항상 점수가 높은 쪽으로 굴러간다는 뜻이에요. 이게 바로 시간이 한 방향으로만 흐르는 이유였어요!