에너지는 일정한 방향을 가지고 화학·전기·운동·열 등 다양한 모습으로 변화한다. 그것이 아인슈타인이 ‘모든 과학의 제1법칙’이라고까지 말한 ‘엔트로피 증가법칙’이다.
이 법칙의 핵심 원리는 ‘열은 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르고, 모든 물질과 에너지는 사용이 가능한 것에서 사용이 불가능한 것으로, 질서 있는 것에서 무질서한 것으로 바뀐다’는 에너지의 방향성이다.
에너지가 다음 단계로 변화할 때 엔트로피는 높아진다. 시간이 흐를수록 우주의 엔트로피는 계속해서 높아진다. 그러나 ‘에너지 보존의 법칙’에 따라 에너지의 형태가 변해도 전체 에너지의 총량은 보존된다.
예를 들어, 풀과 나무가 자라면 엔트로피는 낮아진다. 그러나 스스로 붕괴하면서 계속해서 엔트로피를 높이는 존재인 태양 덕분에 전체 에너지의 총량은 보존된다.
또 나무는 조직이 잘 짜여져 있는 질서 정연한 물질이다. 당연히 엔트로피가 낮다. 하지만 이것이 불에 타면 열이 발생하고 조직이 와해하면서 엔트로피가 높은 재가 된다. 이때, 재는 다시 땔감으로 쓸 수가 없기 때문에 에너지로서의 가치는 떨어진다. 결국 엔트로피가 높다는 것은 ‘쓸모없음’을 나타내는 척도가 되는 셈이다.
먼 미래에 엔트로피가 극대화되면 우주는 아무런 변화가 없는 상태가 된다. 이렇게 변화가 없는 평형상태를 죽음의 상태라고 하는데, 그렇다면 엔트로피 증가의 법칙에 따라 우주는 결국 열평형에 도달하여 종말을 맞게 되는 것일까?
그러나 우주가 고립된 유한한계가 아니라면 그럴 걱정은 없다. 우주 바깥 어디에선가 엔트로피가 증가한다면, 질량보존의 법칙에 의해 우리가 살고 있는 우주 내에도 얼마든지 엔트로피가 감소할 수 있는 상황이 존재한다는 이야기이기 때문이다.