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물리학에서 가장 이해하기 어려운 개념

Veritasium 한국어 - 베리타시움

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설명

국소적으로 낮은 엔트로피 수준을 가진 시스템에 저장되었다가 높은 엔트로피 수준으로 퍼져간다는 표현이 좀 더 정확할 테지만 이해를 위해 쉽게 풀었습니다. One of the most important, yet least understood, concepts in all of physics. Head to https://brilliant.org/veritasium to start your free 30-day trial, and the first 200 people get 20% off an annual premium subscription. If you're looking for a molecular modeling kit, try Snatoms - a kit I invented where the atoms snap together magnetically: https://snatoms.com ▀▀▀ A huge thank you to those who helped us understand different aspects of this complicated topic - Dr. Ashmeet Singh, Supriya Krishnamurthy, Dr. Jos Thijssen, Dr. Bijoy Bera, Dr. Timon Idema, Álvaro Bermejillo Seco and Dr. Misha Titov. ▀▀▀ References: Carnot, S. (1824). Reflections on the motive power of heat: and on machines fitted to develop that power. - https://ve42.co/Carnot1890 Harnessing The True Power Of Atoms | Order And Disorder Documentaries, Spark via YouTube - https://ve42.co/OrderDisorder A better description of entropy, Steve Mould via YouTube - https://ve42.co/Mould2016 Dugdale, J. S. (1996). Entropy and its physical meaning. CRC Press. - https://ve42.co/Dugdale1996 Schroeder, D. V. (1999). An introduction to thermal physics. - https://ve42.co/Schroeder2021 Fowler, M. Heat Engines: the Carnot Cycle, University of Virginia. - https://ve42.co/Fowler2023 Chandler, D.L. (2010). Explained: The Carnot Limit, MIT News - https://ve42.co/Chandler2010 Entropy, Wikipedia - https://ve42.co/EntropyWiki Clausius, R. (1867). The mechanical theory of heat. Van Voorst. - https://ve42.co/Clausius1867 What is entropy? TED-Ed via YouTube - https://ve42.co/Phillips2017 Thijssen, J. (2018) Lecture Notes Statistical Physics, TU Delft. Schneider, E. D., & Kay, J. J. (1994). Life as a manifestation of the second law of thermodynamics. Mathematical and computer modelling, 19(6-8), 25-48. - https://ve42.co/Schneider1994 Lineweaver, C. H., & Egan, C. A. (2008). Life, gravity and the second law of thermodynamics. Physics of Life Reviews, 5(4), 225-242. - https://ve42.co/Lineweaver2008 Michaelian, K. (2012). HESS Opinions" Biological catalysis of the hydrological cycle: life's thermodynamic function". Hydrology and Earth System Sciences, 16(8), 2629-2645. - https://ve42.co/Michaelian2012 England, J. L. (2013). Statistical physics of self-replication. The Journal of chemical physics, 139(12), 09B623_1. - https://ve42.co/England2013 England, J. L. (2015). Dissipative adaptation in driven self-assembly. Nature nanotechnology, 10(11), 919-923. - https://ve42.co/England2015 Wolchover, N. (2014). A New Physics Theory of Life, Quantamagazine - https://ve42.co/Wolchover2014 Lineweaver, C. H. (2013). The entropy of the universe and the maximum entropy production principle. In Beyond the Second Law: Entropy Production and Non-equilibrium Systems (pp. 415-427). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. - https://ve42.co/LineweaverEntropy Bekenstein, J.D. (1972). Black holes and the second law. Lett. Nuovo Cimento 4, 737–740. - https://ve42.co/Bekenstein1972 Carroll, S.M. (2022). The Biggest Ideas in the Universe: Space, Time, and Motion. Penguin Publishing Group. - https://ve42.co/Carroll2022 Black hole thermodynamics, Wikipedia - https://ve42.co/BlackHoleTD Cosmology and the arrow of time: Sean Carroll at TEDxCaltech, TEDx Talks via YouTube - https://ve42.co/CarrollTEDx Carroll, S. M. (2008). The cosmic origins of time’s arrow. Scientific American, 298(6), 48-57. - https://ve42.co/Carroll2008 The Passage of Time and the Meaning of Life | Sean Carroll (Talk + Q&A), Long Now Foundation via YouTube - https://ve42.co/CarrollLNF ▀▀▀ Special thanks to our Patreon supporters: Emil Abu Milad, Tj Steyn, meg noah, Bernard McGee, KeyWestr, Amadeo Bee, TTST, Balkrishna Heroor, John H. Austin, Jr., john kiehl, Anton Ragin, Diffbot, Gnare, Dave Kircher, Burt Humburg, Blake Byers, Evgeny Skvortsov, Meekay, Bill Linder, Paul Peijzel, Josh Hibschman, Mac Malkawi, Juan Benet, Ubiquity Ventures, Richard Sundvall, Lee Redden, Stephen Wilcox, Marinus Kuivenhoven, Michael Krugman, Sam Lutfi. ▀▀▀ Written by Casper Mebius, Derek Muller & Petr Lebedev Edited by Trenton Oliver & Jamie MacLeod Animated by Mike Radjabov, Ivy Tello, Fabio Albertelli and Jakub Misiek Filmed by Derek Muller, Albert Leung & Raquel Nuno Molecular collisions video by CSIRO's Data61 via YouTube: Simulation of air Additional video/photos supplied by Getty Images, Pond5 and by courtesy of NASA, NASA's Goddard Space Flight Center, NASA Goddard Flight Lab/ CI Lab, NASA/SDO and the AIA, EVE, HMI, and WMAP science teams. As well as the Advanced Visualization Laboratory at the National Center for Supercomputing Applications, B. Robertson, L. Hernquist Music from Epidemic Sound & Jonny Hyman Produced by Derek Muller, Petr Lebedev, Emily Zhang, & Casper Mebius
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물리학에서 가장 중요하면서도 가장 이해하기 어려운 개념 중 하나를 꼽자면 전 오늘 영상의 주제라고 생각합니다 분자간의 충돌부터 거대한 폭풍후에 이르기까지 모든 곳에 영향을 끼치죠 우주의 시작부터 진화 그리고 피할 수 없는 종말까지 말이죠이 개념은 실제로 시간의 방향을 결정하고 생명이 존재하는 이유라 불리기도 합니다이 주제가 왜 어려운지 한번에 느껴지는 간단한 질문에서부터 한번 시작해 보죠 지구가 태양으로부터 얻는 것은 무엇일까요 정답입니다 hower not AS much you know I don't believe it It's just radiating right back say less less say less Guess about 70% a fraction I'd say 20% because we use some of it we use some of the energy we consume a lot but the thing about enery is it never really goes away You can't really use it up It would have to break even would it same amount Yeah you know cause and be equal in some ways right for most of the earth History It should be exactly the same amount of energy in from the sun AS Earth radiates into space Wow Because if we didn't do that then the earth would get a lot hotter that be a problem that be a big problem so if that is the case Then what are we getting from the sun a good question 이 질문에 답하기 위해서는 2세기 전의 발견으로 돌아가야만 합니다 1813년 겨울 프랑스는 오스트리아 프로이센 러시아 군대 침공을 받고 있었습니다 나폴레온 휘아의 장군 중 하나의 아들이었던 사디 카르노는 당시 17세 학생이었습니다 12월 29일 나레 에게 전투에 전하겠다는 편지를 썼지만 전투가 한창이었던 나폴레옹에게 답이 오지 않았죠 운이 좋은 건지 모르겠지만 몇달뒤 파리가 공격을 받게 되면서 카르노는 소원을 이루게 됩니다 파리 바로 동쪽에 있는 한 성에서 학생 군들이 방어했지만 진격해 오는 군대를 상대하기엔 역부족이었고 그렇게 파리는 전투 하루만에 함락되고 맙니다 후퇴해야 했고 카르노는 큰 충격을 받게 되죠 7년 후 나폴레옹의 몰락 이후 카르노는 프로이 센으로 도망친 신 아버지를 찾아갑니다 그의 아버지는 장군이자 물리학자이기도 했죠 기계 시스템에서 에너지가 가장 효율적으로 전달될 수 있는 방법에 대한 글까지 쓴 사람이었습니다 카르노 카로의 아버지는 당시 획기적인 발명품이었다 증기 기간에 대한 토론을 밤새 이어나갔습니다 증기 기간은 이미 선박 동력 광석 채굴 그리고 한구 굴착에 사용되고 있었습니다 국가의 미래산업과 군사력이 최고의 증기기관을 보유하는데 달려 있다고 여겨 시죠 하지만 프랑스의 증기기관 설계는 영국 등 다른 나라에 비해 뒤쳐져 있었습니다 사디 카르노는 그 이유를 직접 알아내려 했습니다 당시에는 최고의 증 기간도 열에너지의 약 3% 정도만 원하는 기계 작업으로 전환하여 사용할 수 있었죠 카르노는 효율을 개선할 수만 있다면 프랑스가 세계에서의 입제를 회복할 수 있을 것이라 생각했습니다 그래서 그는 그 3년 동안 열 기관을 연구했고 특히 마찰이 없고 환경에 손실을 주지 않는 이상적인 열기관의 작동 방법에 대해서 매우 뛰어난 통찰력을 보였습니다 그가 만들어 낸 이상적인 열 엔진은 카르노 기관이라 불리죠 아주 커다란 금속막대 두 개가 있습니다 하나 아주 뜨겁고 하나 차갑죠 엔진은 공기로 채워진 챔버로 되어 있고 바닥을 통해서만 열이 유입되거나 유출될 수 있습니다 챔버 안에는 플라이휠과 연결된 피스톤이 들어 있죠 챔버의 온도는 뜨거운 금속막대 온도보다 아주 약간 낮은 상태입니다이 상태에서 먼저 뜨거운 금속 막대를 챔버와 접촉시키고 챔버의 밑부분으로 열이 유입되면서 내부의 공기는 열을 받아 팽창하게 됩니다 이렇게 되면 플라이 휠이 회전하며 피스톤이 위로 올라가게 되죠 뜨거운 금속 막대를 치운 뒤에도 챔버의 공기는 계속해서 팽창하게 됩니다 하지만 더 이상 열이 유입되지 않기 때문에 팽창하면서 온도는 감소하게 되죠 이상적으로는 챔버의 온도는 차가운 금속막대 온도까지 내려오게 되고 차가운 금속 막대를 챔버와 맞닿게 해보면 플라이휠이 피스톤을 아래로 밀어내면서 공기가 압축되고 열이 차가운 금속 막대로 전달되게 되죠 차가운 금속 막대를 제거합니다 플라이휠은 가스를 더 압축하여 뜨거운 금속 막대 온도 근처까지 온도를 높이게 되죠 그런 다음 다시 뜨거운 막대기가 접촉하게 되면이 과정이 반복됩니다이 과정을 통해 뜨거운 금속막대 열이 플라이휠의 에너지로 변환되게 되는 겁니다 여기서 카르노의 이상적인 엔진에 대한 재미있는 부분은 이게 완전히 가역적이다 겁니다 반대가 성립한다는 거죠 엔진을 가동시켜 공기를 먼저 팽창 시키면 온도가 낮아지고 이때 챔버의 차가운 금속 막대기가 닿으면 차가운 막대로 열을 끌어오며 공기가 더 팽창하게 됩니다 이젠 플라이휠이 공기를 압축시켜 온도가 올라가게 되죠 뜨거운 금속 막대 맞닿게 시키면 플라이휠의 에너지를 다시 뜨거운 막대에 열로 되돌려 주게 됩니다 이러한 플라이휠이 정방향으로 몇 번이고 돌았더니 역방향으로도 돌릴 수 있게 됩니다 결국에는 추가적인 에너지 유입 없이도 모든 것을 원래 상태로 돌릴 수 있다는 겁니다 따라서 이상적인 엔진의 경우에는 실제로는 아무것도 변하지 않게 됩니다 언제든지 되돌릴 수 있죠 그렇다면이 엔진의 효율성은 어느 정도일까요 완전히 가역적이다 보니 효율이 100%고 생각할 수 있습니다 실제로는 그렇지 않습니다 플라이휠의 에너지는 뜨거운 막대에서 챔버로 유입되는 열량에 챔버에서 차가운 막대로 빠져나간 열량을 뺀 만큼이 증가할 겁니다 따라서 효율성을 계산하기 위해선이 에너지를 뜨거운 막대로 오는 열의 유량으로 나눠줍니다이 열량은 기체가 피스톤을 밀어 올리는 일의 크기와 동일하며이 크기는 차가울 때 피스톤이 기체에 가하는 일 다시 말해 열이 빠져나가는 양보다 늘 큽니다 왜냐하면 뜨거운 기체는 온도에 의해 분자 운동이 활발해져 차가운 기체보다 피스톤에 더 큰 압력을 가하기 때문이죠 따라서 가역적이다 하더라도 효율이 100% 아닐 수도 있는 겁니다 이러한 엔진의 효율을 높이려면 뜨거운 막대의 온도를 높이거나 차가운 막대의 온도를 낮춰야 있죠 아니면 둘 다요 캘빈 경은 카르노의 이상적인 열기관에 대해 알게 된 후 이것이 절대 온도계의 기초가 될 수 있다 생각한 사람입니다 기체를 극단적으로 팽창시켜 모든 기체 입자가 더 이상 움직이지 않을 정도로 냉각시킨다 생각해 보죠 그렇게 되면 피스톤의 압력이 가해지지 않게 되어서 차가운 쪽에서 압축하는데 아무런 일도 들지 않게 되고 따라서 열 손실도 발생하지 않게 됩니다 이게 바로 절대 영도 앱솔루 제로의 개념이며이를 이용하면 100% 효율을내는 엔진을 만들 수도 있습니다 절대온도 눈인 캘빈 눈금을 사용한다면 열의 양은 온도의 정비하기 때문에 유입되고 유출되는 열의 양을 각각 뜨거운 막대와 차가운 막대의 온도로 치환할 수 있게 됩니다 수식을 조금 손보면 효율성은 다음과 같이 표현할 수 있게 됩니다 여기서 우리가 알아야 할 점은 이상적인 열 엔진의 효율은 엔진의 재료나 설계가 아니라 뜨거운 쪽과 차가운 쪽의 온도에 달려 있다는 사실입니다 100% 효율을 달성하려면 온도가 높은 곳에서 무한대에 온도를 유지하거나 온도가 낮은 곳에서 절대 0도를 유지해야만 합니다 두 가지 모두 실제로는 불가능하죠 결국 실제 환경에서 발생할 마찰 손실이 없다 해도 열 엔진을 100% 효율적으로 만드는 것은 불가능합니다 왜냐면 피스톤을 원래 위치로 되돌리기 위해 차가운 막대 열을 가해하기 때문입니다 모든 에너지가 플라이 휠에 머무르는게 아니죠 카르노 살던 당시에는 고압 증기 엔진은 최대 섭시 160도까지 온도로 올릴 수 있었습니다이 경우 이론상 엔진이 낼 수 있는 최대 효율은 32% 있지만 실제로는 3% 정도에 불과 있죠 실제 엔진은 마찰이 있기 때문에 마찰열이 발생하고 그로 인해 손실이 생기고 그 외에도 여러 요소들로 인해 더 많은 열이 사용되면서도 플라이 휠에는 더 적은 에너지가 소모됩니다 실린더 벽이나 플라이휠 축으로 퍼져 나가 주변으로 방출되기도 하죠 이런 식으로 공기 중에 퍼져나간 에너지는 한번 퍼져나가게 되면 다시는 되돌릴 수 없게 됩니다 따라서이 과정은 비가역 공정인 거죠 이렇게 되면 에너지의 총량은 변하지 않지만 사용할 수 있는 에너지의 양이 줄어들게 됩니다 에너지는 집중되어 있는 상태일 때 가장 유용하며 분산되어 있을 경우 사용하기 어려워지기 때문이죠 수십년 후 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스 n 카르노의 엔진을 연구하다 에너지가 얼마나 퍼져 있는지 측정하는 방법을 생각해냅니다 이렇게 측정된 양을 엔트로피 불렀습니다 만약 모는 에너지가 뜨거운 막대에 집중되어 있다면이는 엔트로피가 낮다는 뜻입니다 하지만 에너지가 주변 환경 즉 챔버의 벽과 차축으로 퍼지게 되면 엔트로피가 증가한 거죠이는 같은 양의 에너지가 존재하더라도 더 분산된 형태로 존재할 경우 이래 사용할 수 있는 에너지가 줄어들게 된다는 겁니다 1865년 클라우지우스 연역의 첫 두 가지 법칙을 다음과 같이 첫째 우주의 에너지는 일정하다 둘째 우주의 엔트로피는 최대가 되는 경향이 있다 즉 에너지는 시간이 지남에 따라 분산된다는 것이죠 두 번째 법칙은이 세상에서 일어나는 수많은 현상의 핵심이기도 합니다 뜨거운 물체가 씻거나 차가운 물체가 뜨거워지거나 가스가 팽창하여 용기를 가득 채울 수 있는 이유 그리고 연구기간이 존재하지 않는 이유도 바로이 두 번째 법과 관 있습니다 같힌 시스템에서 사용 가능한 에너지의 양은 항상 감소하죠 엔트로피를 설명하는 가장 일반적인 방법은 무질서 있니다이는 사물이 혼합되고 무자기 적이며 질서가 없다는 명과 연관되어 있기 때문이죠 하지만 전 엔트로피를 에너지가 퍼지는 경향으로 생각하는게 가장 좋은 방법이라 생각합니다 그러면 왜 에너지는 시간이 지남에 따라 퍼지는 걸까요 대부분의 물리학 법칙은 시간의 진행 방향과 관계없이 똑같이 작용합니다 그렇다면 이 시간 의존성은 어떻게 생겨나는 걸까요 하나는 뜨겁고 하나는 차가운 두 개의 작은 금속 막대를 생각해 보죠 설명 쉽게 하기 위해서 각 막대 당 여덟 개의 원자 영향을 받는다고 가정하겠습니다 각 원자는 에너지 패킷의 수에 따라 진동을 하고 패킷이 많을수록 진동을 더 많이 합니다 왼쪽 막대에 에너지 패킷이 일곱 개 오른쪽은 세 개가 있습니다 각 에너지 패킷의 수를 스테이트 상태라고 부릅니다 먼저 왼쪽 막대만 살펴보죠 여기에 있는 일곱 개의 에너지 패킷은 격자 주의를 자유롭게 이동할 수 있습니다 이동은 끊임없이 일어나죠이 에너지 패킷들은 원자에서 다른 원자로 무작위로 이동하면서 서로 다른 에너지 구성을 계속해서 만들어냅니다 하지만 총 에너지는 항상 동일하게 유지가 되죠 세 개 에너지 패킹만 있는 차가운 막대를 가져와 둘을 접촉시켜 보겠습니다 에너지 패킷들은 두 막대 모두로 이동하면서 서로 다른 구성을 만들 수 있습니다 각각의 고유한 구성들은 모두 동일한 확률로 발생하게 되겠죠 특정 순간에 스냅샷을 찍어 모든 에너지 패킷의 위치를 확인한다면 어떨까요 잠깐 멈춰 보죠 왼쪽 막대에 아홉 개의 에너지 패킷이 있고 오른쪽에는 한 개만 있습니다 열이 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 이동한 거죠 이러 현상은 엔트로피가 감소하기 때문에 불가능한 것이 아닐까요 여기서 루트비 볼츠만은 중요한 사실을 떠올립니다 열이 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 흐르는 것은 불가능한 것이 아니라 단지 일어날 확률이 낮다는 거죠 왼쪽 막대에 아홉 개의 에너지 패킷이 있을 경우는 9120 아지의 구성이 존재합니다 이에 반에 각 막대 다섯 개씩 에너지 패키지 있을 경우는 62 7264 가지가 가능하죠 에너지가 막대 사이에 고르게 분산될 확률이 여섯배 이상 더 높습니다 최종적으로는 왼쪽 막대가 처음보다 더 많은 에너지 패켓을 가진 채로 끝날 확률은 10% 정도밖에 안 돼 10% 생각보다 높네요 왜 우리는 이걸 못 봤죠 왜냐면 막대 원자 수를 80개로 늘리고 에너지 패킷을 100개로 들려 왼쪽 막대 70개 오른쪽 막대 30개로 들렸을 경우 어떤 일이 일어나는지 보면 알 수 있으실 겁니다 이제 왼쪽 막대가 처음보다 더 뜨거워질 확률은 0.

05% 불가합니다 그리고 이런 경향성은 시스템을 확장하면 확장할수록 더더욱 도드라집니다 저희 일상 속의 체들은 100조 이상의 원자들로 이루어져 있죠 따라서 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 열이 흐르는 거는 매우 드은 일이라는 [음악] 것입니다 rub cuv and will andur a fews it solved and quli ways it entirely rand without thought and effort every turn moves the rub cube From A highly unlikely State that of it being solved to a more 에너지의 자연스러운 경향이 퍼져나가고 혼란스러운 상태로 변하게 되는 거라는 건 알겠는데 에어컨 같이 차가운 내부는 계속 차갑게 하고 더운 집 밖은 더 덥게 만드는 건 어떻게 하는 걸까요네 물론 이건 엔트로피를 감소시키는 일이 맞습니다 하지만이를 위해서 다른 곳의 엔트로피를 더 많이 증가시켜서 일을 가능하게 하죠 당연한 얘기지만 집안이 더 시원해진다 다른 곳 어딘가는 더 뜨거워진다는 얘기입니다 발전소에서 압축된 화학 에너지와 석탄을 통해 발전소와 주변 환경을 가열시켜 에너지를 얻습니다이는 터빈 발전기 전선을 따라 집까지 들어와 팬과 실외기를 폐열로 발생시키죠까다롭기 [음악] 뜨거운 곳과 차가운 곳이 남아 있고 어떻게 우리가 살아 있을 수 있는 걸까요 만약 지구가 다은 시스템이라면 에너지는 완전히 퍼져 나갈 겁니다이 말은 모든 생명이 사라지고 모든 것이 썩어 분해되어 결국에는 같은 온도에 도달하게 된다는 뜻입니다 하지만 다행히도 지구는 다친 시스템이 아닙니다 바로 태양이 있기 [음악] 때문이죠 태에 주는 것은 낮은 엔트로피의 안정적인 흐름 즉 압축된 에너지입니다 식물들은이 에너지를 흡수하여 자라죠 그리고 동물들은 그 식물을 먹고 그 에너지를 사용하여 몸을 유지하고 움직입니다 더 큰 동물들은 더 작은 동물들을 먹음으로써 에너지를 얻습니다 이렇게 각 단계에 에너지가 더 퍼져나가게 되는 거죠 태양으로부터 구에 달는 모든 에너지는 에너지 되고 그다시 우주공간으로 [음악] 복사 자의 상대적인 수를 보면 지구의 엔트로피 증가를 볼 수 있습니다 태양으로부터 받은 한 개의 광자 당 무려 20개의 광자가 방출됩니다 지구상에서 일어나는 모든 일 식물이 성장하고 나무가 쓰러지고 동물들이 몰려다니고 허리케인과 토네이도 사람들이 밥을 먹고 잠을 자고 숨을 쉬는 것까지 모두 적은 수의 고에너지 광자를 20배나 더 많은 양의 저에너지 광자로 변환하는 과정에서 일어납니다 태양에 집중된 에너지원과 지구가 분산된 에너지를 버리는이 과정 없이는 지구상의 생명이란 존재하지 않을 겁니다 심지어 생명 그 자체가 연력 학 제 2 법칙의 결과일 수도 있다는 주장까지 있습니다 만약 우주가 최대 엔트로피를 향해 나아가고 있다면 생명은 그 자연적인 경향을 가속화합니다 생명은 낮은 엔트로피를 높은 엔트로피로 변환하는데 매우 뛰어난 기관이죠 예를 들어서 해수 표면층은 시아노 박테리아 및 기타 유기물이 존재할 때와 존재하지 않을 때 30% 68% 더 많은 엔트로피 증가를 만들어냅니다 제레미 잉글랜드는 여기서 한 걸음 더 나아갔습니다 그는 끊임없이 뭉쳐진 에너지 흐름이 있다면 에너지를 소상하는 구조를 선호할 수 있다고 주장하고 시간이 지남에 따라 점점 뛰어난 에너지 소산 장치를 만들게 되고 결국 생명으로 발전할 수 있다고 주장했죠 그의 표현을 을 옮겨보자면 의미적인 원자 덩어리로 시작해 충분히 오랫동안 빛을 비춘다면 식물을 얻게 되는 건 그리 놀라운 일이 아닙니다라고 했죠 그렇다면 지구 생명체는 태양으로부터 오는 낮은 엔트로피에 의존하여 생존하지만 태양은 어디서 낮은 엔트로피를 얻었을까요 답은 우주입니다 우주의 전체 엔트로피가 시간이 지남에 따라 증가하고 있다면 어제는 오늘보다 그리고 어제는 그 전날보다 엔트로피가 더 낮았을 거고이는 빅뱅까지 거슬러 올라갑니다 빅뱅 직후 엔트로피가 가장 낮았습니다이는 과거 가설 더 패스트 하스라 부릅니다 과거 가설은 왜 엔트로피가 나았는지 설명하지 않습니다 그저 우주가 현재의 모습이기 위해서 그렇게 엔트로피가 낮았어요 했다는 사실만을 설명하죠 초기 우주는 뜨겁고 밀집되어 있고 거의 완벽히 균일 있습니다 즉 모든게 뒤섞여 있고 온도도 거의 모든 곳에서 0.

001% 이하의 차이 만났죠 그러면 이게 어떻게 낮은 엔트로피가 우리가 빼먹은 것은 바로 중력 있니다 중력은 물질을 서로 끌어당기는 경향이 있습니다 따라서 중력을 고려하면이 당시에 물질의 상태는 극히 불가능한 상태이며 이것이 낮은 엔트로피를 지녔던 이유입니다 시간이 지나면서 우주가 창하고 냉각되면서 물질은 더 밀집된 영역으로 뭉쳐지기 시작했습니다이 과정에서 엄청난 양의 잠재 에너지가 운동 에너지로 변환되었을 돌릴 수 있는 것처럼 사용 가능한 에너지였다 일부 운동 에너지는 열로 변환되었을 감소했습니다이 과정을 통해서 엔트로피가 증가하였고 억겁의 시간 동안 유용한 에너지는 사용되었습니다 그 과정에서 항성 행성 은하 그리고 생명이 형성되면서 엔트로피는 계속해서 증가하고 있습니다 우주는 약 10에 8제곱 볼츠만 상수에 해당하는 엔트로피로 시작했다고 봅니다 오늘날 관측 가증한 우주에 있는 모든 별들은 약 9.

5 * 10의 8제곱 해당하는 엔트로피를 가지고 있습니다 성관 및 성관 매체를 합치면 거의 배 더 높지만 여전히 초기 우주의 하면 매우 낫죠 엔트로피의 대부분은 중성미자와 우주 마이크로파 배경 복사의 광자에 포함되어 있습니다 1972년 야코 베켄슈타인 또 다른 엔트로피 근원인 블랙홀을 제안했습니다 슈타인은 블랙홀의 엔트로피는 그 표면적에 비례한다고 제안했습니다 블랙홀이 커질수록 엔트로피 함께 증가한다는 거죠 당시의 유명한 물리학자들은 그의 아이디어를 없는 라고 생각했습니다 왜냐면 고전 연하에 따르면 블랙홀의 엔트로피가 있다면 온도도 있어야 하는데 블랙홀의 온도가 있다면 복사를 방출해야 하고 결국 블랙홀이 아닌 빛을내는 천체가 될 것이었기 때문입니다이 이론이 틀렸다는 것을 증명하려고 낮은 사람은 스티븐 호킹이 하지만 놀랍게도 그의 연구 결과는 블랙홀이 복사를 방출한다는 사실을 밝혔고이 발견은 현재 호킹 복사라 알려져 있습니다 블랙은 실제로 온조를 고 있습니다 우리 은나 중심에 있는 블랙홀의 온도는 약 100조 1켈빈 정도이며 감지하기 너무 미미한 복사를 방출하고 있죠 그래서 검정색입니다 하지만 호킹은 블랙홀의 엔트로피가 있다는 사실을 확인했고 베켄 슈타인의 주장이 오름을 증명했습니다 스티븐 호킹은 블랙홀이 가지고 있는 엔트로피의 양을 정확히 측정했습니다 우리은하 중심에 있는 블랙홀은 약 10의 9제곱 볼트만 상수에 해당하는 엔트로피를 가지고 있습니다이는 초기 관측 가능한 우주의 의 1000배 그리고 다른 모든 입자의 합보다 배나 더 많은 양입니다 그리고 단지 하나의 블랙홀에 불과하죠 모든 블랙홀을 합하면 약 3 * 10의 10제곱 볼만 상수에 해당하는 엔트로피로 계산됩니다 우주의 거의 모든 엔트로피는 블랙홀에 집중되어 있고이를 포함하면 초기 우주는 현재 우주 엔트로피의 약 0.

003% 가지고 있음을 의미합니다이 우주에서 일어난 수많은 사건들 행성계가 형성되고 은하가 합병되고 소행성이 충돌하고 별들이 춥고 그리고 생명이 번성하는이 우주에서 일어나는 모든 일들은 우주의 엔트로피가 낮았고 지속적으로 증가했기 때문에 가능합니다이 모든 일들은 오직 한 방향으로만 일어납니다 우리는 절대로 소행성 충돌이 되거나 행성계가 원래 형성했던 제와 가스 그름으로 다시 섞이는 걸 볼 수 없습니다 과거로 가는 것과 미래로 가는 것 사이에 명확한 차이가 있고 그 차이는 바로 트로피에서 비롯됩니다 우리가 가능성이 낮은 상태에서 더 가능성이 높은 상태로 이동하고 있다는 사실은 시간의 화살표가 존제하는 이유입니다이 과정은 에너지가 너무 완전히 퍼져 더 이상 흥미로운 일이 일어나지 않을 때까지 계속될 것으로 예상됩니다 이건 바로 death of UN 우주 의 멸망입니다 먼미래 즉 마지막 블랙홀이 증발한지 100년쯤 지난 후에는 우주는 가장 확률적인 상태 있을 겁니다이 시점에서는 대규모 관찰을 통해서라도 시간이 앞으로 움직이는지 뒤로 움직이는지 구별할 수 없을 것이며 시간의 화살표 그 자체가 사라질 겁니다 the dullest outcome imaginable but just because maximum entropy has low complexity does not mean that low entropy has maximum complexity It's actually more like this tea and milk mean holding it like this is not very interesting but as i Pour the milk in the two Start to mix and these beautiful patterns emerge they arise in an instant and before you know it they're gone back to being featureless both low and High entr are low in complexity it's in the middle where complex structures and thrive and since That's where we find ourselves Let's make use of the low entropy We've Got while We can
영상 정리

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이 영상은 물리학에서 가장 중요한 개념 중 하나인 엔트로피와 시간의 방향성에 대해 이야기하고 있어요. 우주의 시작부터 지금까지 엔트로피는 계속 증가하는데, 이는 자연스럽게 시간의 흐름이 한 방향으로만 흘러가는 이유를 설명하는 핵심입니다. 예를 들어, 지구가 태양으로부터 받는 에너지는 대부분 방사 형태로 돌아가면서 에너지가 분산되고, 이 과정에서 엔트로피가 증가하는 거죠.



이와 관련해서 200년 전 프랑스의 과학자들이 발견한 열역학 법칙들이 중요한 역할을 합니다. 특히, 카르노의 이상적인 열기관은 엔트로피와 효율의 관계를 보여주며, 이론상 100% 효율은 불가능하다는 것을 알려줍니다. 효율을 높이려면 뜨거운 쪽과 차가운 쪽의 온도를 극단적으로 조절해야 하지만, 현실에서는 마찰과 손실로 인해 완전한 효율은 불가능하죠.



또한, 엔트로피는 자연스럽게 증가하는 경향이 있는데, 이는 무질서와 혼란이 늘어난다는 의미입니다. 예를 들어, 뜨거운 물체와 차가운 물체가 접촉하면 열이 차가운 쪽으로 흐르기 쉽지만, 이 일이 일어날 확률은 매우 낮을 뿐 절대 불가능한 것은 아니에요. 큰 시스템이 확장될수록 이러한 경향은 더 뚜렷해지고, 결국 우주는 최대 엔트로피 상태로 향하는 방향으로 가고 있습니다.



우주의 초기 상태는 매우 낮은 엔트로피였고, 시간이 지나면서 별, 은하, 생명체가 형성되면서 엔트로피는 계속 증가했어요. 블랙홀의 발견과 연구를 통해 엔트로피는 블랙홀의 표면적에 비례한다는 것도 밝혀졌고, 현재 우주의 대부분 엔트로피는 블랙홀에 집중되어 있습니다. 결국, 우주는 엔트로피가 최대인 상태로 가는 과정이고, 이로 인해 시간의 화살표가 생기게 되는 거죠.



마지막으로, 미래에는 우주가 결국 최대 엔트로피 상태에 도달해 시간의 방향성조차 사라질 수 있다는 가설도 소개됩니다. 즉, 지금 우리가 경험하는 시간의 흐름은 낮은 엔트로피 상태에서 높은 엔트로피로 가는 자연스러운 과정이며, 이 과정이 우주의 멸망까지 이어질 것이라는 이야기입니다. 이 모든 과정은 에너지의 분산과 무질서의 증가로 설명되며, 결국엔 우리가 가진 낮은 엔트로피 상태를 최대한 활용하는 것이 중요하다는 메시지로 마무리됩니다.

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