[과학사] 가장 늦게 발견된 열역학의 법칙, 온도의 기준을 세운 열역학 0법칙

가장 늦게 태어난 막내 법칙의 유쾌한 반란, 열역학 0법칙

너무나 당연해서 과학자들도 잊고 있었던 온도의 절대 기준

세상에 숫자 '4'가 아니라 숫자 '0'으로 시작하는 법칙이 있다는 사실을 아시나요?
열역학 제1법칙, 제2법칙, 제3법칙이 모두 완성되어 위대한 과학 교과서를 가득 채웠을 때, 과학자들은 뒤늦게 아주 치명적인 실수를 깨달았습니다. 가장 근본이 되는 기초 공사를 빼먹었다는 것을 말이죠.

우리가 열이 나면 체온계를 겨드랑이에 끼우고 온도를 잽니다. 체온계의 온도가 내 몸의 온도와 똑같아질 때까지 기다리는 이 평범한 행동. 이 너무나도 당연한 일상 속의 현상이 사실은 현대 물리학을 지탱하는 가장 거대한 주춧돌이었습니다. 영국의 물리학자 랄프 파울러(Ralph H. Fowler)가 제안하며 완성된 '열역학 0법칙(Zeroth Law of Thermodynamics)'의 유쾌한 탄생 과정을 따라가 보겠습니다.

STEP 01

너무 화려했던 형님들, 1, 2, 3법칙

19세기와 20세기 초, 물리학계는 에너지와 열의 관계를 밝혀내는 거대한 혁명을 맞이했습니다. 에너지는 절대 사라지지 않고 형태만 바뀐다는 '열역학 제1법칙', 열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르며 무질서도(엔트로피)는 증가한다는 '열역학 제2법칙', 그리고 절대영도에 다다를 수 없다는 '열역학 제3법칙'까지. 물리학의 황금기를 장식하는 화려하고 거대한 법칙들이 줄줄이 확립되었습니다.

열역학 제3법칙 (출처: 잡학서고)

Insight : 어? 그런데 온도가 정확히 뭐지?

이 화려한 법칙들로 우주의 원리를 설명하며 샴페인을 터뜨리던 과학자들은 문득 근본적인 딜레마에 빠졌습니다. "잠깐, 1, 2, 3법칙은 모두 온도의 변화를 다루고 있는데, 정작 '온도가 같다'는 상태가 물리적으로 어떤 의미인지 정의하는 법칙이 없잖아?" 열을 논하면서 가장 기초적인 '온도의 정의'를 까맣게 잊어버린 것입니다.

STEP 02

A와 B가 같고, B와 C가 같다면?

체온계를 생각해 봅시다. 내 몸(A)과 체온계(B)를 접촉시켜 두면, 어느 순간 둘 사이의 열 이동이 멈추고 온도가 같아집니다. 이를 열평형(Thermal Equilibrium) 상태라고 합니다. 이때 체온계(B)를 친구의 몸(C)에 대었을 때도 온도가 변하지 않는다면, 내 몸(A)과 친구의 몸(C)도 온도가 완벽히 똑같다고 확신할 수 있습니다.

Insight : 온도계가 작동하는 단 하나의 이유

이것이 바로 열역학 0법칙의 핵심입니다.

• 물체 A와 B가 열평형 상태에 있고, 물체 B와 C가 열평형 상태에 있다면, 물체 A와 C 역시 열평형 상태에 있다.
• 너무나 당연한 삼단논법처럼 들리지만, 이 원리가 성립하지 않는다면 우리가 쓰는 '온도계'라는 도구 자체를 믿을 수 없게 됩니다.
• 온도를 객관적인 수치로 측정하고 비교할 수 있는 절대적인 물리적 기준이 마침내 수면 위로 드러난 것입니다.

STEP 03

4법칙이 될 수 없었던 막내의 반란

1930년대, 물리학자 랄프 파울러를 비롯한 학자들은 이 당연한 원리가 열역학의 모든 법칙을 떠받치는 가장 근본적인 토대라는 사실을 깨달았습니다. 따라서 이 새로운 법칙을 교과서에 추가해야만 했습니다.

하지만 문제가 있었습니다. 이미 1법칙, 2법칙, 3법칙이 수십 년 동안 널리 쓰여 학계에 완벽히 굳어진 상황이었습니다. 기초 중의 기초를 '제4법칙'이라고 부를 수는 없는 노릇이었습니다. 고민 끝에 학자들은 기발한 결론을 내립니다. "1법칙보다 더 먼저 와야 하는 근본 법칙이니, 번호를 0으로 매기자!" 그렇게 과학 역사상 유일하게 '0'번을 부여받은 법칙, 열역학 0법칙이 탄생했습니다.

"가장 위대한 진리는 언제나 숨을 쉬는 공기처럼 너무나 당연해서,
우리가 가장 늦게 깨닫게 되는 법이다."

누구나 아는 온도계의 원리 속에서 물리학의 가장 깊은 뿌리를 찾아낸 과학자들의 재치. 늦게 태어났음에도 당당히 맨 앞자리를 차지한 0법칙의 이야기는, 기초가 튼튼해야만 위대한 구조물을 올릴 수 있다는 사실을 유쾌하게 증명합니다.

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