Q.
우주의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 진행이 되는데, 인위적인 힘이 없어도 천체들이 자연상태에서 구체를 유지할 수 있는 이유는 무엇인가요?
우주의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 진행이 되는데, 인위적인 힘이 없어도 천체들이 자연상태에서 구체를 유지할 수 있는 이유는 무엇인가요?
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Q.
우주의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 진행이 되는데, 인위적인 힘이 없어도 천체들이 자연상태에서 구체를 유지할 수 있는 이유는 무엇인가요?
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좋은 질문이에요! 우주 전체의 엔트로피는 증가하지만, **부분계(local system)**에서는 국소적으로 엔트로피가 감소할 수 있어요. 천체가 구체를 유지하는 이유는 중력 덕분입니다.
중력은 질량을 중심으로 물질을 끌어당겨 구형으로 안정된 형태를 만들고, 이 과정에서 에너지가 방출되며 주변 엔트로피가 증가하게 돼요. 즉, 천체 내부에서는 질량이 집중되고 구조가 안정되지만, 전체 우주의 엔트로피는 여전히 증가하는 방향으로 진행되는 거죠.
간단히 말하면, 중력이라는 자연적 ‘힘’ 덕분에 국소적 질서가 유지되고, 전체 엔트로피는 증가한다는 원리입니다.
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우주의 엔트로피가 증가한다는 법칙과 천체가 동그란 구체를 형성하는 현상은 서로 충돌하는 것처럼 보일 수 있지만 사실은 중력이라는 거대한 힘이 엔트로피의 흐름 안에서 질서를 만들어내는 과정입니다.
가장 핵심적인 이유는 중력에 의한 에너지의 재배치입니다. 우주 공간에 퍼져 있던 먼지와 가스들이 중력에 의해 한곳으로 뭉치면 입자들의 위치 정보라는 측면에서는 질서가 생기는 것처럼 보입니다. 하지만 이 과정에서 엄청난 마찰과 압축이 일어나며 막대한 양의 열에너지가 우주 밖으로 방출됩니다. 즉 천체가 구형으로 뭉치면서 발생하는 열이 주변 공간의 엔트로피를 훨씬 더 크게 증가시키기 때문에 열역학 제2법칙을 위배하지 않으면서도 질서 정연한 구체를 형성할 수 있는 것입니다.
천체가 하필 구체를 유지하는 이유는 구가 기하학적으로 모든 방향에서 중심을 향해 당겨지는 중력에 가장 안정적으로 대응할 수 있는 형태이기 때문입니다. 중력은 중심으로부터 모든 방향에서 동일한 세기로 당기려 합니다. 천체의 질량이 충분히 크면 그 압력이 암석이나 가스의 저항력을 이겨내고 가장 효율적인 평형 상태인 구형으로 수축하게 됩니다. 이를 정역학적 평형 상태라고 부르는데 물방울이 표면장력에 의해 둥글게 모이는 것과 비슷한 원리가 우주 규모에서는 중력에 의해 일어난다고 보시면 됩니다.
결국 천체가 구체가 되는 것은 에너지가 가장 낮은 안정된 상태를 찾아가는 과정입니다. 엔트로피 증가라는 거대한 흐름 속에서도 중력이라는 상호작용이 국소적으로는 물질을 응축시켜 별과 행성이라는 아름다운 질서를 만들어냅니다. 다만 이렇게 형성된 천체들도 아주 긴 시간이 지나 수명을 다하면 폭발하거나 흩어지며 다시 우주 전체의 엔트로피를 높이는 무질서한 상태로 돌아가게 됩니다.
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