[과학사] 절대영도에 도전한 과학자들, 열역학 제3법칙과 우주의 최저 온도

멈춰버린 시간과 완벽한 결정,
열역학 제3법칙의 탄생

절대영도를 향한 발터 네른스트의 도전과 우주의 물리적 한계

물의 온도를 낮추면 얼음이 됩니다. 얼음의 온도를 더 낮추면 어떻게 될까요? 계속해서 온도를 빼앗아 우주에서 가장 차가운 상태를 만든다면 분자들은 어떤 모습을 하게 될까요?

에너지 보존을 다룬 제1법칙, 무질서도(엔트로피)의 증가를 설명한 제2법칙이 완성된 후, 과학자들의 시선은 자연스럽게 '온도의 밑바닥'으로 향했습니다. 무질서도가 끊임없이 증가한다면, 반대로 온도를 극한으로 낮추어 무질서도를 0으로 만들 수는 없을까 하는 의문이었죠. 20세기 초, 극저온의 세계를 탐구하며 이 우주의 궁극적인 한계선을 그어버린 독일의 물리화학자 발터 네른스트(Walther Nernst)와 '열역학 제3법칙'의 놀라운 이야기를 시작하겠습니다.

STEP 01

극저온의 세계와 화학 반응의 미스터리

19세기 말, 화학자들은 화학 반응이 일어날 때 발생하는 열에너지를 계산하는 데 몰두하고 있었습니다. 하지만 기존의 열역학 법칙들만으로는 극도로 낮은 온도에서 물질들이 어떻게 반응하고 평형을 이루는지 정확히 예측할 수 없었습니다. 당시 열역학의 대가였던 발터 네른스트는 온도가 한없이 낮아지는 극저온 상태에서의 물질의 변화에 주목했습니다.

네른스트 열 정리 그래프 (출처: 위키피디아)

Insight : 네른스트 열정리 (Nernst Heat Theorem)

1906년, 네른스트는 수많은 실험 데이터를 분석한 끝에 중대한 결론을 내립니다. 온도가 절대영도(Absolute Zero, 0 K)에 가까워질수록 물질 간의 화학 반응에서 발생하는 엔트로피(무질서도)의 변화량이 '0'에 수렴한다는 사실이었습니다. 이것이 바로 열역학 제3법칙의 기원이 되는 역사적인 '네른스트 열정리'입니다.

STEP 02

멈춰버린 분자들, 엔트로피가 '0'이 되다

온도라는 것은 본질적으로 물질을 구성하는 원자와 분자들이 얼마나 활발하게 움직이는지를 나타내는 척도입니다. 뜨거울수록 분자들은 요동치며 무질서해지고, 차가울수록 분자들의 움직임은 둔해집니다. 네른스트의 정리는 이후 막스 플랑크(Max Planck) 등의 물리학자들에 의해 더 명확한 물리적 법칙으로 다듬어졌습니다.

Insight : 완벽한 결정(Perfect Crystal)과 절대영도

열역학 제3법칙은 우주의 엔트로피에 절대적인 기준점을 제시했습니다.

• 온도가 절대영도(-273.15℃)에 도달하면, 분자들의 모든 열적 운동이 완전히 멈추게 됩니다.
• 이때 불순물이 전혀 없는 완벽한 결정 상태의 물질이 가진 엔트로피는 정확히 '0'이 된다는 것이 제3법칙의 핵심입니다.
• 제2법칙이 엔트로피의 '변화량'만을 다루었다면, 제3법칙 덕분에 과학자들은 비로소 물질이 가진 '절대 엔트로피 값'을 계산할 수 있게 되었습니다.

STEP 03

도달할 수 없는 우주의 금지 구역

하지만 열역학 제3법칙은 인류에게 매우 절망적인 한계를 동시에 선언했습니다. 어떤 물질의 온도를 절대영도로 낮추기 위해서는 물질에서 에너지를 계속해서 빼앗아야 합니다. 그러나 온도가 낮아질수록 에너지를 빼앗는 작업은 기하급수적으로 어려워집니다.

법칙에 따르면, 아무리 이상적인 냉각 장치를 사용하더라도 온도를 절대영도로 낮추기 위해서는 무한한 횟수의 단계와 무한한 에너지가 필요합니다. 즉, 인류는 절대영도에 한없이 가까워질 수는 있어도 결코 그 지점에 완벽하게 도달할 수는 없다는 우주의 절대적인 금지 구역이 설정된 것입니다.

"우리는 절대영도에 한없이 다가갈 수 있다.
그러나 결코 그 차가운 정점에는 닿을 수 없다."

무질서가 지배하는 우주에서 모든 운동이 멈추는 완벽한 고요함의 기준을 찾아낸 네른스트. 결코 닿을 수 없는 절대영도의 한계를 수학으로 규명함으로써, 우리는 열과 에너지의 진정한 절대값을 측정할 수 있게 되었습니다.

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