사랑의 열역학

사랑(E) = 열정(Q) - 행동(W)
단순하다! 아름답다!
그리고 놀랍도록 정확하다!

"사랑이 무엇이냐?" 이 질문으로 매 학기를 시작하는 열역학 강의가 있다. 열역학 강의에서 사랑이라니, 뜬금없다. 곧바로 이어지는 질문. "열역학 제1법칙으로 설명해 봐." 이 강의를 맡고 있는 저자는 불명확한 사랑이란 개념을 방정식의 뼈대로 풀이해 보라고 한다.
열역학은 다른 물리 이론과 다르다. 유체역학은 유체에만, 고체역학은 고체에만, 양자역학은 미시 세계에만 적용된다. 하지만 열역학은 단 두 가지 법칙으로 세상의 모든 자연현상을 설명한다. 심지어 사랑까지 말이다. 그래서 아인슈타인이 열역학을 두고 "결코 무너지지 않을 유일한 물리 이론"이라고 한 것이다.
이런 열역학을 활용해 저자는 '사랑(E)=열정(Q)-행동(W)'이라는 공식을 내놓는다. 사랑은 열정을 품고 행동으로 표현할 때 완성된다. 이 책은 이 공식을 모든 사람에게 차근차근 설명하고 이해시키기 위한 결과물이다.
그런데 공식을 찬찬히 들여다보면 자연스레 의구심이 생긴다. 열정에서 행동을 빼야 사랑이 나온다니? 열정도 좋은 것이고 행동도 좋은 것인데 두 가지를 더해야 더 큰 사랑이 되는 것 아닌가? 이것이 열역학 제1법칙의 묘미이자 사랑의 핵심이다. 열정이 채워지면 사랑의 에너지가 커지고, 행동을 하면 그 에너지가 밖으로 나간다. 사랑이란, 열정으로 채워진 에너지 가운데 행동으로 발산하고 남은 것이다. 이것이 열정과 행동의 균형이다. 만약 행동이 없으면? 행동 없는 열정은 사랑으로 발전하지 못하고 열정에 그친다.
이 책은 열역학 교과서가 아니다. 열역학을 모르면 읽을 수 없는 내용도 아니다. 걱정하지 마라. 이 책을 읽기 위해 필요한 수학은 중학교 수준으로 충분하다. 분수와 빼기를 할 줄 안다면 이미 충분한 자격을 갖췄다.
이 책에는 강의실에서 실제로 오고 간 대화들이 담겨 있다. 사랑 때문에 엔트로피 질문을 던진 에단, 여자 친구에게 100을 주고 30을 받은 매튜, 카르노사이클과 사랑의 연관성을 집요하게 물어본 슬론. 이 공대생들과 저자 사이에 오간 대화들은 칠판의 수식보다 훨씬 솔직하고, 어떤 연애 조언보다 과학적으로 견고하다.

열정과 행동, 방향과 타이밍
사랑의 역학 관계에 대한 가장 뜨거운 과학 강의
"사랑해라, 지금 이 순간!"

이 책은 9개의 장으로 구성되어 있으며, 모두 '사랑(E)=열정(Q)-행동(W)' 공식의 변주다. 1장 「사랑은 에너지다」는 이 책의 심장부다. 에너지는 사라지지 않고 형태를 바꾼다. 사랑을 시작할 때의 설렘은 연애를 하면서 익숙함으로 바뀐다. 전 연인이 아직 마음 한편을 차지하고 있다면 열역학 제1법칙인 에너지보존법칙의 증거라고 생각하면 된다. 그리고 사랑이란 결과는 상태함수이지만 열정과 행동은 경로함수다. 경로에 따라 전혀 다른 상태가 되니, 방향과 타이밍이 중요할 수밖에 없다.
2장 「사랑에도 방향이 있다」는 열역학 제2법칙을 통해 사랑이 식을 수밖에 없는 이유를 설명한다. 모든 자발적 과정은 한 방향으로만 흐르며 되돌릴 수 없고, 어떤 관계도 효율이 100%일 수 없음을 가르쳐 준다. 3장 「사랑할수록 복잡해지는 이유」에서는 관계가 복잡해지는 것이 순수한 확률의 문제임을 볼츠만 공식을 활용해 이야기하며, 개인의 잘못이 아니니 안심하라고 위로한다. 4장 「열정과 행동의 과학」에서는 열전달의 종류를 알아봄으로써, 얼마나 많이 했느냐가 아니라 얼마나 정확한 방향으로 했느냐에 따라 행동의 결과가 달라짐을 말한다. 5장 「사랑의 삼각관계」에서는 분자들의 밀고 당김을 수식으로 표현한 판데르 발스 이야기를 토대로 사랑에 작용하는 인력과 척력, 그 건강한 관계를 알아본다.
6장 「사랑에도 효율이 있다」는 카르노사이클을 중심으로 완벽한 효율이 없고 반드시 손실이 따르는 것이 자연의 법칙임을 설명한다. 7장 「아직 엑서지가 있는가」는 차이가 없으면 흐름이 없는 것, 즉 '소멸상태'를 거론하며, 화든 짜증이든 미련이든 덜 표현된 감정이 남아 있다면 마음속 미세먼지가 되니 완전히 태우라고 조언한다. 8장 「인연은 멈추지 않는다」에서는 살아 있는 한 엔트로피는 증가하니 인연은 만들어질 수밖에 없다며, 흐르되 안정적인 정상상태를 지켜줄 인연을 선택하기를 추천한다. 9장 「세상을 데우는 에너지」에서는 1~8장에서 설명한 모든 내용을 하나로 묶으며, 사랑 에너지는 두 사람 사이에서 끝나지 않고 복사처럼 공간을 넘어, 전도처럼 맞닿은 이에게, 대류처럼 세상을 돌며 퍼진다고 말한다.
열역학 법칙은 곧 사랑의 법칙이다. 열역학 제1법칙은 에너지는 사라지지 않고 형태를 바꿀 뿐이라고 말한다. 누군가에게 쏟아부은 사랑은 사라지지 않고 세상 어딘가에 다른 형태로 존재한다. 열역학 제2법칙은 자발적 과정은 비가역적이고, 지금 이 순간은 되돌아오지 않으며, 엔트로피는 증가하고 인생은 앞으로만 나아간다는 사실을 보여준다. 그러니 사랑을 나중으로 미뤄서는 안 된다. 지금 사랑하는 게 최선이다. "사랑과 에너지의 유사성"을 심층 탐구하는, 세상에서 가장 재미있는 열역학 강의가 궁금하다면 이 책을 당장 집어 들길 바란다.

추천의 말
저자 노트: 이 책을 읽는 법
프롤로그: 공학 강의실에서 시작된 이야기

1장 사랑은 에너지다: 열역학 제1법칙과 사랑의 본질
2장 사랑에도 방향이 있다: 열역학 제2법칙과 비가역성
3장 사랑할수록 복잡해지는 이유: 엔트로피와 무질서의 과학
4장 열정과 행동의 과학: 열전달, 일, 방향
5장 사랑의 삼각관계: 이상기체 이론과 압력, 부피, 온도
6장 사랑에도 효율이 있다: 카르노효율, 노아의 방주 그리고 지구의 열역학
7장 아직 엑서지가 있는가: 소멸상태에서 다시 타오르는 법
8장 인연은 멈추지 않는다: 평형상태와 정상상태
9장 세상을 데우는 에너지: 열역학을 지구라는 시스템에 적용하면

에필로그: 복잡계 속의 우리 그리고 열역학이 남긴 것들

김민준 연세대학교 기계공학과를 졸업하고, 텍사스A&M대학교에서 기계공학 석사학위를, 브라운대학교 공과대학원에서 「박테리아를 이용한 미세유체역학 연구」로 박사학위를 받았다. 하버드대학교에서 단분자 생물물리학 박사후연구원을 거쳐 드렉셀대학교 공과대학 기계공학과·의공학과 및 의과대학 외과에서 조교수, 부교수, 정교수를 역임했다. 2012년 독일 막스플랑크 광연구소 훔볼트 펠로십, 2013년과 2015년 한국과학기술연구원 생체공학연구센터 브레인풀 펠로십으로 연구했다. 2016년부터 현재까지 서던메소디스트대학교 기계공학과 석좌교수로 재직 중이다.
2008년 미국 국립과학재단 젊은연구자상, 2009년 휴먼프론티어사이언스프로그램 젊은연구자상, 2010년 미국육군연구소 젊은연구자상을 수상했다. 2013년 국제생체공학회 생체공학 최우수공헌상, 2016년 재미한인과학기술자협회·한국과학기술단체총연합회 올해의 공학자상과 유네스코-넷엑스플로 10대 혁신기술상을 받았다. 미국기계학회(ASME), 미국의생명공학원(AIMBE), 왕립화학회(RSC), 국제바이오닉공학회(ISBE),
국제바이오닉과학아카데미(IABS) 석학 회원이며 전기전자공학자협회(IEEE), 미국국립발명학술원(NAI) 시니어 멤버다. 지은 책으로 『김민준의 이너스페이스』가 있다.