무한동력장치의 꿈

영구기관 (perpetual mobile)은 일반적으로 한번 외부에서 동력을 전달 받으면 영원히 자가 발전하여 작동한다는 가상의 기관을 일컫는 말입니다. 영구 기관에는 제1종 영구 기관, 제2종 영구 기관 등이 있으며, 최근에는 초전도체를 이용한 제3종 영구 기관이라는 말도 쓰이고 있습니다. 이러한 영구기관으로 만들어내는 무한한 동력을 일컬어 무한동력이라고 합니다. 즉 이런 무한동력을 만들어내는 영구기관을 무한동력장치라고 합니다.

그러나 무한동력장치는 현재의 과학으로 비추어보자면, 열역학 제 1법칙과 제 2법칙에 의거, 실현이 불가능한 장치입니다. 그렇기에 현재 무한동력장치, 영구기관이 거의 완성되었다느니, 특허를 냈는데 모 기관의 개입으로 차단당했다느니 하는 이야기는 전부 사기일 뿐입니다. 이미 프랑스 과학 아카데미에서는 1775년 이래로, 영구기관을 발명했다는 제보를 무시해 오고 있습니다.

그러나 지금의 과학으로는 불가능한 영구기관이지만 새로운 과학적인 법칙이 발견되거나, 현재의 과학이론에 커다란 수정이 불가피할 상황이 된다면 허황된 꿈이 아닌 현실이 될 수도 있을 것입니다. 진짜로 작동하는 영구기관이 발명되는 순간이  열역학 제 1법칙과 제 2법칙을 변경해야하는 순간인 것입니다.

지금과 같은 고유가 시대가 아니라고 해도 영구히 에너지를 만들어내는 무한동력은 큰 매력일 수밖에 없습니다. 오랜 옛날부터 과학자, 기술자, 연금술사들은 영구기관 개발에 도전해 왔습니다. 13세기의 프랑스의 건축가이자 기술자인 빌라르 드 오네쿠르(Villard de Honnecourt)가 남긴 36매의 양피지에 그린 그림장(Livre de portraiture)에는 영구기관에 관한 스케치 등이 있는데, 이후에 레오나르도 다 빈치에게도 많은 영감을 준듯 합니다. 비슷한 시기의 인물인 피에르(Pierre)도 군인 시제 드 푸코크루에게 보내는 자석에 대한 서한(Epistola ad Sygerum de Foucaucourt militem de magnete)을 보면 자석을 이용한 영구기관의 제작시도가 있었음을 짐작케 합니다. 17세기에는 초기 증기기관 연구의 선구자인 영국의 소머셋(Edward Somerset)이 바퀴 속의 경사면에 납공을 굴려서 그 반동으로 다시 바퀴를 돌릴 수 있다는 영구기관을 고안하기도 했고, 18세기의 장 베르누이(Jean Bernoulli)는 유체를 이용한 영구기관을 제안하기도 하였습니다.

이러한 열정은 20세기 이후까지 이어져 단순한 기계장치를 넘어서  전기장치로 된 영구기관, 열과 빛을 이용한 영구기관 초전도현상을 이용한 영구기관등 온갖 자연현상을 이용한 다양한 종류의 영구기관들이 고안되고 있습니다. 그러나 지금까지 대부분의 영구기관은 에너지 보존법칙 즉 닫힌 역학계에서 에너지의 형태가 어떻게 바뀌더라도 총 에너지의 합은 일정하다는  정의를 뛰어넘지 못하고 있습니다. 물론 영구기관 중에는 에너지 보존법칙에 어긋나지는 않는 것도 있지만, 열역학 제2법칙에 위배되어 현실적으로 불가능한 것은 역시 마찬가지입니다.

그러나 따지고보면 엔트로피는 절대 감소하지 않는다는 명제하에서 영구기관은 언제까지나 불가능한 비현실일 수 밖에 없습니다. 결국 지금의 과학을 거스리지 않는 영구기관을 만들려면 맥스웰의 악마(도깨비, 데몬)에서라도 가능성을 찾아야 할것입니다.

과연 언제까지나 불가능한 꿈일까?

열역학의 법칙을 무시하지 않으면서도 가능한 준무한동력장치와 달리 완전한 영구기관은 현재의 법칙을 뛰어넘지 않는다면 언제까지 불가능으로 남을 수 밖에 없습니다. 그러나 영구기관을 단순히 계속적으로 작동하여 운동이 끝나지 않는 기관으로 정의한다면 전혀 다른 문제가 됩니다. 미시의 세계에서와 같이 외부의 관찰이나 반응과 같은 행위가 없을시 끊임없이 운동하는 원자자체가 영구기관이라 할 수있고 지구의 공전이나 자전자체도 이미 영구기관이라 할 수 있습니다. 그러나 결국 영구기관의 목적인 잉여의 에너지(일)이 발생하면서도 운동이 원래 그대로 지속되는 완전한 무한동력발생장치는 개념자체가 불가능한 것입니다. 영구기관의 최소한의 필요 요소는 다음과 같습니다.

1. 계속적으로 작동하여 운동이 끝나지 않을 것.
2. 순환과정으로서 구성되고, 한번 순환후에는 원상태와 똑같은 상태가 될 것
3. 한 번 순환하는 동안 외부에 유한한 일(잉여 에너지)를 창출할 것

이런 조건들을 동시에 만족하는 것이 진정한 영구기관이며, 그 일부의 충족으로는 영구기관이 될 수 없습니다. 만약 우주선이 목성의 중력을 이용해 공짜로 가속도를 얻었다고 해도, 따지고보면 목성에서는 그 만큼의 에너지를 우주선에 빼앗긴 것이므로 진정한 공짜는 아닌것입니다. 우주에 던져진 물체가 아무리 멀리 오래 그대로 날아간다고 해도, 순환이 아니며, 일을 창출하는 순간 감속이 이루집니다.
최초 10의 힘으로 바퀴를 돌리고, 그 결과 10보다 큰 힘이 만들어져 10은 다시 바퀴를 돌리는데 사용되고, 나머지 힘이 창출되었을때만 영구기관이 되는 것입니다. 즉 10의 힘만 만들어지는 바퀴라면 아무리 오랜 시간이 지나도 스스로 운동할 힘만 재창출되므로 영구운동장치일뿐 영구기관은 아닌것입니다.

외부로 열리는 문을 허용한다면?

이런 가정을 해보겠습니다. 우리가 사는 A차원에서 죽은자의 세계인 B차원의 유령을 잡아 바퀴를 돌려 에너지를 얻는다면, A차원에서 얻은 에너지의 양만큼 B차원의 에너지는 감소되었겠지만, A차원에서는 무한동력을 얻는 셈입니다.  결국 A,B 차원 전체의 에너지 값으로 보면, 엔트로피가 역전될 수 없다는 법칙에 들어 맞지만, A차원만 기준으로 하자면 우리는 무한동력장치를 얻은 것입니다. 작은 범위로 보면 태양의 에너지를 변환해 우리가 사용하는 것도 지구라는 닫힌 공간을 기준으로 볼때는 무한동력이라 할수 있습니다.

위에서 잠깐 맥스웰의 악마를 언급했지만, 모든 존재는 이런 시스템을 통하여 주위와 끊임없는 에너지 교환을 하고 있습니다.  아무런 움직임도 없어보이는 바위도 실재로는 그것을 둘러싸고 있는 주변의 공간과 활발한 에너지 교환을 하면서 끊임없이 변화하고 있습니다. 바위 자체만을 제한한다면 이런 교환이 없어 아무런 힘을 창출하지 못하겠지만, 열린 상태로 본다면 바위라는 매체를 통해 지속적인 에너지를 창출하는것도 불가능하지만은 않습니다.  즉 완전히 닫힌 상태에서는 영구기관이 없다라고 생각할 수 밖에 없지만, 선택적으로 열리는 문을 만들수 있다면 꿈이 아니라는 것입니다.

어떤 문을 열어볼까요?

정윤표씨가 쓴 티끌속의 무한우주라는 책은 기존의 빅뱅이론을 정면으로 부정하는 무한 중첩 연속우주론을 주장하고 있습니다. 이책은 불교적인 관점의 우주를 다루고 있는데, 소립자로부터 대우주에 이르는 우주의 전 단계를 자세하게 고찰하고, 우주를 미시세계와 거시세계로 나눠 양 세계를 대비시킨 뒤 각 공간요소 사이에 1:10의 30승의 비례관계가 성립된다는 것을 증명하고 있습니다. 거시우주(별-은하핵-은하-은하군-국부은하단-초은하단-우주-부처 또는 신)와 미시우주(소립자-원자핵-원자-분자-고분자-세포내소기관-세포-사람)는 본질적으로 동일하다는 것입니다.

그 근거로 원자핵의 반경(10의 -13승cm) : 은하핵의 반경은 0.33광년(3.12x10의 12승km)으로 이는 원자핵의 반경을 1로 했을 때 은하핵의 크기는 3.12x10의 30승의 비율로 환산된다는 것을 계산해냈습니다. 또 시간의 흐름을 공간의 크기와 대비한 결과 원자의 1회전 시간 (2.22x10의 -15승초) : 은하의 1회전시간(2억년)은 1:2.84x10의 30승, 분자의 진동주기(10의 -13승초) : 국부은하단의 진동주기(4.73x10의 17승초)를 대비해도 1:4.73x10의 30승 등으로 나타나, 결국 시간과 공간에 걸쳐 10의 30승이라는 비례관계를 토대로 거시우주와 미시우주는 닮은꼴이며 즉 본질적으로 동일하다는 결론을 유추해내고 있습니다.

결국 우리 우주도 더 큰 우주에서 보면 하나의 원자일 뿐이고, 수소원자를 무한으로 확대해보면 그 속에 하나의 우주가 있다는 이론이며, 우리의 1초가 미시세계에서는 무한의 시간일 수도 있고, 우리의 무한한 우주의 시간도 더 큰 거시세계에서는 1초, 즉 시간의 흐름이 공간의 크기에 반비례한다는 이론입니다. 한 방안에 수없이 많은 원자가 떠돌듯 우리의 우주도 따지고보면 하나가 아니고, 비슷한 우주로 꽉차있다고 해석해볼 수도 있겠네요.

거창하게 공급받는 영구기관 - 다른 우주에서 받기

이런한 부분에 상상력을 더해 보겠습니다. 만약 우리의 우주와 근접한 다른 우주가 열린상태로 에너지를 교환할 수 있다면? 혹은 일방적으로 에너지를 뺏어올 수 있다면?
우주를 사람의 세포 하나로 비교한다면 우리는 60억개의 우주를 지닌채 살아가고 있는 것입니다. 세포와 세포는 서로 교환을 하고 있습니다. 절대적으로 안정된 구조는 없고, 그 에너지 비중이 클 수록 불안정한 상태로 되어있습니다. 더 높은 에너지 상태의 우주로부터 무한의 공급을 받을 빨대를 꽂을 방법을 찾을 수 없을까요. 어쩌면 그런 날이 올지도 모릅니다.
수소원자의 지름을 100m라고하면 원자핵 지름을 1mm에 불과하기에 대부분의 원자는 빈 공간입니다. 우리의 우주도 대부분이 빈공간입니다. 그렇기에 외부우주까지 연결한다는 거창한 플랜트가 아니라 해도 다른 우주와 충첩된 공간(원자속 빈 공간의 중첩)을 통해 타차원의 잉여에너지를 지속적으로 얻을 수 있는 장치를 개발한다면 그것이 무한동력장치입니다.

거창하게 공급받는 영구기관 - 다른 우주보다 더 받기

우리는 60조의 세포중 하나이지만, 어차피 사람이 먹고 공급해주는 에너지를 통해 생존하고 있습니다. 그렇다면 혈액을 통해 공급되는 에너지를 다른 세포들보다 더 많이 받을 방법이 없을까요? 다른 세포보다 더 활발한 활동을 한다면 공급이 늘어날 것입니다. 그러나 그건 지구의 힘으로 전 우주를 움직여야 하는것과 같이 어려운 일이므로 불가능 할 것입니다. 그래도 어떤 신호를 통해 가능할 수도 있을 것입니다. 그렇게되면 다른 우주에서 뺏어오지 않아도 더 많은 영양분을 받을 수 있고, 영양분을 보내라는 신호하는 장치가 영구기관입니다. 다만 잘못하면 암세포로 오인되어 치료될수도 있습니다.

아주 거창하게 공급받기

티끌속의 무한우주의 상호개념을 이렇게 적용해 보겠습니다. 우리 에너지 1이 미시우주에 공급된다면 그 에너지의 크기는 3.12x10의 30배가 될 것입니다. 우리 우주 전체에너지에서 1은 아주 미미하지만 미시우주에서는 어마어마한 에너지가 될 것입니다. 어쩌면 미시세계 전체 질량보다 많아 핵융합반응이 일어날 지도 모르겠지만, 엄청난 에너지임은 분명합니다. 우리가 거시적 우주에서 극소의 힘을 조절하여 공급받을 수 있다면 우주전체의 엔트로피를 역전할 수 있는 활력을 얻을지도 모릅니다.

지금까지 전부 황당한 이야기들이었습니다. 어차피 무한동력장치는 황당한 이야기가 될 수 밖에 없습니다. 그러나 전적으로 부정하지는 않습니다. 우리가 지금까지 관찰가능한 우주의 비밀이란 고작 5%도 되지않기 때문입니다. 우리우주는 물질이 4%, 암흑물질이 23%, 그리고 정체가 전혀 밝혀지지 않은 암흑에너지가 73%라고 합니다. 우주의 96%는 우리가 알지못하는 미지의 에너지로 가득차 있습니다. 이 미지의 에너지중 일부라도 밝혀낸다면 인류가 오랜세월 꿈꿔왔던 영구기관의 꿈에 한발 다가설 것입니다.

허수를 제곱하면 음수가 되고, 음수인 1을 제곱하면 양수 1이 된다는 말은 많은 생각을 하게합니다. 크기 순서를 정할 수 없는 허수 i 도 가상의 수에 불과했지만, 수학의 추상성이 더욱 고도화 되면서 그런 수가 실재한다는 것은 이미 오래전에 밝혀졌습니다. 과학은 수학과 마찬가지로 철학을 바탕으로 발전해 왔습니다. 지금 우리가 막연히 짐작하는 암흑에너지도 언젠가는 단순한 허수가 아닌 실수와의 관계가 증명되는 에너지의 의미를 가질 날이 올것입니다.

이야기가 너무 길고 허황되었을지라도, 잠시 현실을 떠나 읽은 한편의 SF글로 봐 주셨길 바랍니다.