지난 100여년 동안 천문학과 이론 물리학의 발달로 인류는 현재의 기술로는 절대로 갈 수 없는 머나먼 우주 공간에 대해 상당한 관측 정보와 이론을 쌓게 되었다. 처음에는 학계에서 진행되던 연구가 서적을 통해 대중적으로 알기 쉽게 나오며, 그 내용을 다시 알기 쉽게 추리는 작업이 반복되어 간단하게 흥미로운 부분만 추려서 온라인 동영상으로 소개하는 컨텐츠가 나오기에 이르렀다. 이들 영상들을 정리해본다.
페르미 역설
우주가 무한에 가깝다면 무한에 가까운 은하들과 행성계들의 조합이 존재하며 그 중에 지구처럼 생명이 출현할 가능성이 있으면, 이들 생명체 중에 빠른 기술 발전을 이루어서 지구와 만나거나 최소한 교신을 할 수 있어야 할 확률이 높을텐데, 그런데 왜 인류는 아직도 지구 외부의 생명체와 만나지 못했을까? 라는 의문이 존재하며, 외계인에 대한 주제이기 때문에 인기가 높다. 물리학자 엔리코 페르미가 하루는 동료들과 밥을 먹다가 이 의문을 명쾌한 형태로 단순하게 정리해서[주 1] 페르미 역설로 불린다.
우주의 죽음
시간이 무한하고 영원히 끝나지 않는다고 가정 할 때, 지금까지 알려진 우주와 물질의 성질과 법칙을 응용해서 우주가 어떻게 변화할지 예상 할 수 있다.
모든 별들이 죽음을 맞이하고, 모든 에너지가 최종적으로 엔트로피를 통해 소진되면서 우주가 천천히 식어가며 밀도가 낮아져 어떠한 물리 반응도 기대할 수 없는, 어떠한 의미있는 일도 일어날 수 없는 상태가 된다는 것이다. 이러한 시나리오를 우주의 heat death (열역학적 죽음 - 열 죽음)이라고 부른다. 가설에 따르면 지금으로부터 약 10^106 년 이후에 이러한 상태에 도달 할 것으로 예상된다.
무한히 긴 시간을 볼 때 물질과 에너지가 어떠한 형태로 존재하는지에 따라 "시대"를 나누자는 제안이 존재한다. 먼저 빅뱅 이후 물질이 서서히 뭉쳐져서 별들이 등장하기 전까지의 시대 (첫 4억년)를 "태초의 시대"라고 부른다.
그 다음은 주로 별들을 통해 에너지가 발산되는 "별들의 시대"이다. 이 시대 동안 별들이 태어나고, 핵융합을 통해 에너지, 빛, 열을 발산한다. 우리가 살아가고 있는 현재는 별들의 시대 중 초기에 해당한다. 시간이 지남에 따라 별은 그 별에 적용되는 중력과 핵융합의 성질에 따라 다양한 형태로 죽음을 맞이한다. 수소를 소진하고 죽는 별, 대폭발을 일으켜 죽는 별, 엄청난 중력의 힘에 의해 내핵이 침식을 일으켜 백색왜성이나 블랙홀이 되는 별. 점점 더 백색거성이 죽어감에 따라 은하들은 적색왜성의 빛에 주도되어 백색에서 적색으로 변하기 시작한다. 그 와중에서 별들이 서로 부딛히거나, 은하간의 충돌에 의해 새로운 별들이 태어날 수도 있다. 그러나 최종적으로는, 모든 별들이 죽게 된다. 이 때가 10^13 년으로 예상된다. 이 정도만 되도 숫자가 너무나도 커서, 억이니 조니 같은 말로는 표현해보았자 의미없는 시간이 되기 시작한다.
별들이 죽고 나면 유의미한 에너지원은 별들이 죽고 나서 남긴 천체들로 구성된다. 백색왜성, 중성자별, 블랙홀, 그리고 기존에 존재하던 갈색왜성들이 이들 천체들이다. 이들 천체들은 물질의 축퇴를 통해 에너지를 미미하게 만들어낼 것이다. 이 에너지는 이제 너무 낮아서, 가시광선으로는 보이는 것이 없어 우주 전체가 매우 어두울 것이다. 그러나 이들 천체들이 만들어내는 적외선 광선을 통해 "볼 수"있고, 이 천체들이 현재 지구의 실내 온도와 비슷한 수준의 온도를 낼 것이다. 가끔, 천체들이 서로 충돌해서 폭발하거나 할 때 매우 짧은 시간 동안 다시 엄청난 에너지와 빛을 내지만, 이런 이벤트들은 적은 편이다. 또한 10^38 년 시점에서는 모든 물질의 원자 내의 양성자가 붕괴하기 시작하고, 천체를 이루는 물질의 양성자가 천천히 붕괴하면서 갑자기 평소보다 더 높은 수준의 에너지를 뿜어낼 것이다. 약 400 와트 정도의 에너지를 만들어낼 것으로 예상되는데, 현대의 전자레인지가 소비하는 에너지가 1,000와트인 것을 감안하면 이따위 에너지가 만들어지는게 무슨 의미가 있으려나 싶을 수 있다. 하지만 만일 이렇게 머나먼 미래까지 살아남는 생명체들이 존재 할 경우, 우주 전체가 이 정도 수준의 에너지만도 감지덕지 할 어두움과 에너지 희소의 시대이기 때문에, 수억년에 걸쳐 이런 에너지를 알뜰살뜰 모아 생활을 유지해나가는 일이 있을수도 있다. 이런 일들이 일어나는 시대를 "축퇴 시대"라고 부른다.
모든 천체들이 붕괴하는 10^40년에 이제 우주에 남아있는 유의미한 물질은 블랙홀 밖에 없게 된다. 이때부터를 "블랙홀의 시대"라고 부른다. 블랙홀은 강착원반의 회전을 통해 만들어내는 에너지 외에는 이렇다할 에너지원이 아니다. 그나마 이 시대가 되면 강착원반을 구성할 물질마저 붕괴한 상태이다. 그러나 블랙홀은 양자적 원리를 통해 호킹복사 에너지과 물질을 매우 미미한 규모로 뿜는다. 이렇게 천천히 복사열을 뿜으며 블랙홀은 천천히 질량을 잃으며 "증발"한다. 호킹복사의 속도는 블랙홀의 질량이 적어질수록 가속되어, 블랙홀이 완전히 없어지기 전에는 매우 빠른 속도로 빛과 물질을 폭발하듯이 내뿜는다. 이러한 블랙홀의 증발과 최종 죽음이 이 시대의 마지막 에너지원이다.
10^93 년이 지나서 모든 블랙홀이 증발하면, 엔트로피의 정점에 도달하게 된다. 우주에는 그저 무수히 많은 소립자와 광자들이 매우 낮은 밀도로, 매우 낮은 에너지 수준으로 떠다니게 된다. 더 이상 그 어떠한 에너지도, 어떠한 변화도 성립하지 않는 상태, 균일한 무질서의 상태가 되는 것이다. 이 이후를 "암흑의 시대"라고 부른다. 여기서 우주의 기나긴 역사는 끝이 났다고 볼 수 있다. 이론적으로는 이후에도 시간은 계속 흐르지만, 시간이 흐르는 것이 무의미한 단계가 되었다고 할 수 있는 것이다.
이후 어떠한 일이 가능할지에 대해서는 서람들이 상상력을 동원해 여러가지 가능성들을 내놓았다.
한가지 가설은 암흑물질의 작용으로 상호작용이 가능한 공간이 점점 더 줄어들게 되는데, 이 현상이 무한히 계속 될 경우 결국 이 공간이 소립자보다도 작아지게 된다. 그리고 그럴 경우 시공간 자체가 붕괴하여 우주가 소멸한다는 것이다. 이 이론을 빅뱅(큰 폭발)에 대비하여 빅립(큰 찢어짐)이라고 부른다.
또 다른 가능성은, 다수의 다중 우주가 존재 할 경우, 우리가 존재하는 우주는 끝이 나지만, 다른 우주들은 각자의 역사를 진행한다는 것이다.
또 다른 가능성은 암흑 시대에 이르러 우주에 존재하는 에너지의 단계가 최하층에 도달했다고 생각할 수 있지만, 사실은 그보다도 더 근본적인 하위의 에너지 층위가 존재 할 수도 있고, 암흑시대에 도달한 우주가 무한한 시간 속에서 우연히 더 낮은 단계의 에너지 층위로 떨어진다는 것이다. 우주는 시작부터 끝까지 오직 동일한 층위의 에너지에 존재해왔다. 더 낮은 단계로 떨어진다는 것은, 우리가 우주에 대해 알고 있는 모든 사실, 모든 물리 법칙들이 근본적으로 바뀐다는 것을 의미할 수 있다. 누구도 가본 적이 없는 새로운 우주가 시작되는 것이다.
또 다른 가능성은 암흑 시대에 도달한 무한히 큰 우주에서 물질들이 무한히 긴 시간 속에 양자 차원의 랜덤 조합을 반복하다 보면, 모든 존재 할 수 있는 양자적 조합들이 언젠가는 성립하게 되고, 그러한 조합 중 일부는 별의 탄생, 생명체의 탄생, 지적인 존재의 탄생, 에너지원의 확보까지 조합이 되어 찰나의 시간 동안 그런 지적인 존재가 탄생하여 자신의 주변의 무한히 어두운 공간과 시간을 인지하게 될 수도 있다는 것이다. 엔트로피는 끝이 났지만 물질이 없어진 것은 아니기 때문에, 무한한 시간 속에서 찰나의 순간에 유의미한 조합들이 발생한다는 이야기이다.
체험
게임이나 시뮬레이션으로 우주를 체험 해 볼 수 있다.
Space Engine: 지금까지 알려진 우주에 대한 정보와, 나머지 정보가 없는 부분은 확률적으로 생성한 우주를 돌아다니며 블랙홀, 적색거성, 백색왜성, 혜성, 타 은하 등을 모두 직접 다가가서 볼 수 있는 무료 우주 시뮬레이터이다.
Universe Sandbox: 우주의 시뮬레이터이자 각 천체의 각종 변수 (중력 간섭, 질량, 회전 속도, 온도 등)을 변경해서 변경 시 어떠한 변화가 일어나는지도 볼 수 있다.
참고
서적
유튜브
부연 설명
- ↑ 페르미가 "그런데(확률적으로 많이 있어야 할) 외계인들은 다 어디 있는거지?"라고 말했다고 한다.