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.[주 1] 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 2] 페르미 역설로 불린다.
수많은 이들이 이 재미있는 문제이 도전했고, 수많은 가설들이 제기되었다. 이들 가설들을 분야별로 정리해보자면 다음과 같이 정리하는 것이 가능하다.
- 외계 문명은 매우 희귀하다. 또는 존재하지 않는다.
- 생명이 탄생하는 조건이 우리가 예상하는 것보다 훨씬 더 까다롭다.
- 지적 생명체가 발전을 하면서 필연적으로 거치는 몇가지 위기들이 있는데 그 중 일부 위기는 생명체를 모두 죽여버리는 성질의 것이다. 현재의 지구에 대입해 보자면 기후 변화를 생각 해 볼 수 있다.
- 외계 문명을 탐지할 수 없다.
- 그들은 우리와 소통하지 않는다.
- 그들은 우리와 소통하는 것에 관심이 없다.
- 그들은 우리의 문명에 간섭하지 않기를 원한다.
- 그들은 인류처럼 라디오 전파를 통해 장거리 소통을 하는 것이 아니라 그보다 차원이 다른 기술을 이용해 통신한다.
- 그들은 장거리 통신이라는 것을 아예 하지 않는다.
- 외계인들은 이미 지구에 있지만 숨어서 나오질 않는다.
- 외계 문명들은 존재하지만, 우리는 그것들을 외계 생명체로서 인식 하지 못한다.
- 우리가 뭔가를 만나지만 워낙 근본적으로 다른 지적 생명체라, 그게 지적인 존재인지, 생명체인지조차도 파악 할 수 없다.
- 외계인들은 이미 드러내놓고 지구에서 생활하고 있지만, 우리는 그 사실을 인지하지 못한다.
인류의 머나먼 미래
인류가 멸망하지 않고 수백만년, 수억년을 발전해 태양계 곳곳으로 확장하고 기술이 더욱더 발전한다면 어떤 모습을 기대 할 수 있을까?
카르다쇼프 척도
소련의 천문학자 니콜라이 카르다쇼프는 만일 인류 또는 외계 문명들이 아주 오래동안 발전한다면 그 문명의 발전 정도는 오로지 가용 에너지에만 따라 구분 할 수 있을 것으로 내다보고, 한 문명의 발전 정도를 영토나 재력, 철학 같은 시시한(?) 것이 아니라 우주적 규모에서 에너지 활용으로만 구분한 임의의 척도를 제시했다. 세개의 단계를 제시했는데, I 유형 문명은 한 행성의 에너지를 모두 활용 할 수 있는 단계, II 유형 문명은 태양의 에너지를 모두 활용 할 수 있는단계, III 유형 문명은 은하의 에너지를 모두 활용 할 수 있는 단계이다. 이 세개의 단계를 카르다쇼프 척도(Kardashev scale)라고 부른다. 너무나 무지막지한 규모에 많은 미래학자, 공상과학 작가 외 천문학 오타쿠들은 큰 감동을 받았고 카르다쇼프 척도는 이후 이들 사이에 대중화된다. 이들 사이에서는 그냥 "1번 유형 문명" 이라고 하면 카르다쇼프 척도 I 유형 문명이라는 의미이다.
사람들은 "그러면 지구는 어디까지 온 것일까?"라는 의문을 품었다. 지구는 수 많은 정치적 조직, 그리고 사회적인 계급 등으로 분화되어 있지만, 이를 다 뭉뚱그려 "인간 문명"으로 합쳐본다면 1989년부터 2030년에 이르는 기간에 인류가 활용하고 있는 에너지는 행성의 70% 정도에 해당한다. 아직 1번 유형이 되기에는 머나먼 여정이 기다리고 있는 것이다. 1900년도에는 58% 정도였던 것으로 추정된다.
다이슨구 및 다이슨 스웜
그렇다면 2번 유형 문명은 어떻게 달성 할 수 있는 것일까? 초기에는 사람들은 태양을 태양 사이즈의 태양광 패널로 둘러싸자는 무지막지한 아이디어를 냈다. 그러면 기존의 기술력의 한계 속에서 최대로 활용가능한 에너지를 수확하는 것이 가능할 것으로 기대되는 것이다. 그러나 태양 사이즈는커녕 궤도 엘레베이터 같은 것을 만드는 것에도 소재의 내구도 등 극복해야 할 문제가 산재해 있다. 태양을 물질로 둘러싸기 위해서는 생산에 필요한 에너지도 에너지지만 거기에 들어가는 재료를 위해 태양계에 존재하는 행성들을 싸그리 다 채굴해내야 할 판이다.
그래서 다이슨구의 개념을 업그레이드한 다이슨 스웜 개념이 등장한다. 무식하게 한개의 초거대 패널을 만드는 것이 아니라. 태양 가까이를 도는 거대 패널을 수만개 만들어 이들이 태양을 둘러싸게 하면 다이슨 구와 같은 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 이들 패널들은 에너지를 얻은 후 태양빛보다는 에너지 손실이 적은 에너지 무선 송신 기술을 이용해 에너지를 보낸다.
다이슨 스웜은 제작도 (비교적.. 우주적 관점에서) 쉽다. 우선 태양에 가까운 수성이나 금성에 무인 인공지능 패널 제작함을 보낸다. 행성에 도착한 제작함은 행성을 채굴하여, 패널에 필요한 재료들을 모아 패널 제작에 착수한다. 패널을 제작하고 태양 방향으로 띄워보낸 후, 패널이 작동을 시작하면 모든 필요조건은 갖춰진 것이다. 제작함은 더 이상 지구에서 가져온 에너지원이 필요없다. 거대 태양 발전 패널이 보내오는 엄청난 규모의 에너지를 동력삼아 계속 무한하게 패널 제작에 착수한다. 어느 시점에 이르러서는 제작 시설도 추가적으로 늘린다. 패널을 띄워올리고, 더 늘어나는 에너지원을 활용해서 더 많은 제작 시설을 가동하고 더 많은 패널들을 동시에 제작한다. 이런식으로 행성을 통째로 재료로 소모하고 그 행성은 먼지가 되어 사라지는 것이다. 패널들이 모두 가동되어 그 에너지를 지구로 보내주기 시작하면 지구의 인류 문명은 차고 넘치는 에너지를 활용해서 온갖 대규모 사업들을 벌이고 진정한 은하 규모의 문명으로 발돋움 할 수 있는 것이다.
만일 외계 문명이 존재한다고 가정하고, 이들 문명들이 발전을 거듭하면 필연적으로 다이슨 스웜 등의 기술을 개발하고 에너지를 확보하게 될 것으로 예상하며, 다른 은하의 천체들을 관측 할 때 그 별에 다이슨 스웜으로 인해 일어나는 현상 (광도가 비정상적으로 낮다거나)이 관측되면 그것이야 말로 문명의 흔적이라고 볼 수 있다고 보고 외계 문명을 찾을 때 고려할 요소 중의 하나로 받아들여지고 있다.
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 열역학적 죽음이라고 부른다. 가설에 따르면 지금으로부터 약 1093 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 "항성의 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 1013 년으로 예상된다. 이 정도만 되도 숫자가 너무나도 커서, 억(105)이나 조(106) 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 1038 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 있을 수도 있다. 이런 일들이 일어나는 시대를 "축퇴 시대"라고 부른다.
모든 천체들이 붕괴하는 1040년에 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 에너지와 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.
1093 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. 계산 상 빅립은 암흑 시대가 도래하기 전에, 블랙홀의 시대 중 발생한다.
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.
각 시대를 정리해보자면 다음과 같다:
- 0: 태초의 시대
- 4x105: 항성의 시대
- 1013: 축퇴의 시대
- 1040: 블랙홀의 시대
- 1093: 암흑 시대
각 다음 시대는 이전 시대보다 상상도 못할 규모로 더 길다. 보통 세계 역사를 볼 때 시대 들 사이에 도표를 그리는데, 시대간 길이가 서로 엇비슷해야 의미있는 형태로 그릴 수가 있지, 이 시대들을 종이에 표현하면 암흑시대는 무한하니까 논외로 쳐도 블랙홀의 시대만 공간을 다 차지하고 나머지 시대들은 그 맨앞에 보이지도 않는 길이가 된다. 별들의 시대가 빅뱅 후 4x105년에서 시작되는데, 107년만 되도 시작점보다 100배 더 큰 시간이 되니, 4x105과 1013사이를 시각적으로 표현하는 것도 어렵다.
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.