Information, order, complexity, and entropy in materials including biological systems: a thermodynamic theory based on state variables
이 논문은 상태 변수를 시간 평균적 원자 위치로 재정의함으로써 엔트로피를 정보 그 자체가 아닌 이러한 변수들에 대한 불확정성으로 구별하고 열역학 제3법칙을 보존하면서, 재료 및 생물학적 시스템에서의 엔트로피, 정보, 그리고 복잡성에 관한 모호성을 해결하는 통합된 열역학 이론을 제안한다.
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엔트로피는 우주의 혼돈을 향한 경향성에 관한 논의에서 자주 등장하는 단어이지만, 재료 과학 연구에서 이는 시스템의 상태를 나타내는 정밀한 측정값이다. 100년 넘게 물리학자들은 에너지가 어떻게 이동하고 시스템이 어떻게 균형에 도an하는지를 설명하기 위해 열역학을 사용해 왔다. 이 분야의 핵심 기둥은 엔트로피가 상태 함수라는 개념인데, 이는 엔트로피의 값이 물질이 어떻게 그 상태에 도달했는지와 상관없이 오직 현재의 조건에 의해서만 결정됨을 의미한다. 이 개념은 전체의 거동이 단순히 온도와 부피에 의해 결정되는 기체에서는 아름답게 작동한다. 그러나 과학자들이 이와 동일한 규칙을 고체, 특히 유리나 생명체 내부의 DNA와 같이 복잡한 물질에 적용하려고 할 때, 그 정의는 모호해지기 시작한다. 주요한 혼란 중 하나는 물질의 내부 구조가 가진 '무질서'가 엔트로피에 해당하는지, 아니면 그 무질서가 사실 정보의 한 형태인지에 대한 것이었다. 이러한 모호함은 일부 물질이 절대 영도에서도 숨겨진 엔트로피를 보유하고 있을 수 있다는 암시를 낳았으며, 이는 열역학 제3법칙이라 불리는 근본적인 물리 법칙을 위배하게 된다.
시라이 코운(Koun Shirai)이라는 연구자는 열역학의 엄격한 정의로 돌아가 이를 원자들의 미시 세계에 적용함으로써 이러한 모순을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제안했다. 이 연구의 핵심은 고체가 평형 상태에 있다는 것이 무엇을 의미하는지 재정의하는 데 있다. 전통적으로 과학자들은 주어진 온도와 부피에 대해 고체가 오직 하나의 완벽하고 결함이 없는 상태로만 존재할 수 있다고 가정했다. 시라이는 이러한 관점이 불완전하다고 주장한다. 대신, 그는 고체의 진정한 상태가 그 안의 모든 개별 원자의 구체적이고 시간 평균적인 위치에 의해 정의된다고 제안한다. 고체 내의 원자들은 고정된 지점 주변을 진동하므로, 이 평균적인 위치들이 물질의 고유한 좌표 역할을 한다. 이러한 관점은 고체가 동일한 온도에서도 원자들이 정착한 위치에 따라 동시에 여러 가지 다른 평형 상태로 존재할 수 있음을 보여준다.
이 논문은 이러한 원자 위치가 물질의 상태를 정의하는 근본적인 변수임을 확립함으로써, 엔트로pi, 질서, 그리고 정보 사이의 관계를 명확히 한다. 저자는 엔트로피가 물질에 저장된 정보의 척도도 아니고, 무질서의 척도도 아니라고 결론짓는다. 오히려 엔트로피는 그 특정 원자 위치들과 관련된 불확실성 또는 열적 요동을 측정하는 것이다. 정보 그 자체—유리를 결정과 다르게 만들거나 특정 DNA 서열을 다른 것과 다르게 만드는 고유한 구조—는 원자들의 위치 그 자체에 의해 전달된다. 이러한 구분은 과학자들이 '질서'라는 개념을 단순한 기하학적 패턴으로부터 분리할 수 있게 해준다. 물질은 반복적인 결정 구조가 없더라도, 원자 위치가 시간적으로 안정되어 있다면 높은 수준의 질서를 유지하며 방대한 양의 정보를 보유할 수 있다.
이 프레임워크는 또한 일부 물질이 절대 영도로 냉각될 때조차 약간의 엔트로피를 유지하는 것처럼 보이는 '잔류 엔트로피'라는 오랜 난제를 해결한다. 논문은 이 겉보기상의 남은 엔로피가 우리가 그것을 측정하는 방식의 결과물이라고 설명한다. 유ような 물질이 냉각될 때, 원자들은 쉽게 변할 수 없는 특정한 배열 속에 갇히게 된다. 열역학적 관점에서 볼 때, 높은 온도에서 존재했던 수많은 가능한 배열들을 설명하던 변수들은 '얼어붙게' 된다. 이들은 더 이상 요동치지 않으므로, 현재 시스템의 엔트로피에 더 이상 기여하지 않는다. 우리가 잔류 엔트로피라고 계산하는 값은 사실 물질이 얼어붙기 전 가질 수 있었던 수많은 상태에 대한 기억이지, 현재의 상태가 가진 속성이 아니다. 현재 상태의 활성화된, 요동치는 변수들에 기반하여 엔트로피를 올바르게 계산하면, 엔트로피는 절대 영도에서 정확히 0으로 떨어지며 열역학 제3법칙을 보존한다.
이 연구의 함의는 기계와 생명체 모두에서의 복잡성과 정보 처리 과정을 이해하는 방식으로 확장된다. 만약 정보가 물질이 보유할 수 있는 안정적인 원자 배열의 수로 정의된다면, 단순한 결정조차도 수십억 개의 원자가 각각 자신의 위치를 가지고 있기 때문에 믿기 힘들 정도로 복잡하다. 이는 실리콘 칩이 방대한 양의 데이터를 저장하는 방식을 설명해 주는데, 칩은 무작위적인 혼돈 상태가 아니라 결정 내 결함들의 서로 다른 안정적인 배열 사이를 전환함으로써 데이터를 저장한다. 마찬가지로, 단일 유전 코드로부터 발생하는 생명의 다양성은 하나의 시스템이 서로 다른 안정적인 평형 상태 사이를 이동하는 것으로 이해될 수 있다. 논문은 생물학적 진화와 정보 처리가 열역학 법칙의 위반이 아니라, 시스템이 상태들을 가로막는 장벽을 극복할 수 있게 해주는 에너지 흐름에 의해 유도되어 이러한 안정적인 상태들 사이를 항해하는 과정이라고 제안한다. 이 연구는 이러한 개념들을 원자의 정밀한 거동에 근거하게 함으로써, 가장 작은 결정에서부터 가장 복잡한 생명체에 이르기까지 물리 법칙이 일관되게 적용되는 통합된 관점을 제공한다.
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