상대성이론의 내용 중 가장 널리 알려진 것은 아마 ‘광속불변의 원리’ 일 것이다[1] — 질량을 가진 물체는 절대 광속보다 빨리 달릴 수 없다. 우주에 일종의 ‘제한속도’가 걸려 있다는 사실은 인간의 직관에 맞지 않는다. 더 나아가 그것은 과연 자유로운 우주여행 — 즉, 별과 별사이 또는 은하와 은하 사이의 여행이 현실적으로 가능한 것인지에 대한 근본적인 의문을 불러일으킨다.
예를들어, 태양계가 속한 우리은하로부터 가장 가까운 이웃은하는 안드로메다 은하이며 이 둘 사이의 거리는 약 250만 광년 — 그것은 광속으로 250만년을 가야 닿을 수 있는 거리이다. 그렇다면 여지껏 인간이 우주로 쏘아올린 인공물체 중 가장 멀리에 있는 것은 무엇인가? — 그것은 1977년 나사에서 발사한 보이저 1호이며, 이는 2023년 6월 기준 지구로부터 광속으로 약 22시간 동안 가면 닿을 수 있는 거리에 있다[2].
한번 가만히 생각해보라 — 약 2,000억개의 은하가 있는 것으로 추산되는 관측가능한 우주에서 가장 가까운 이웃은하까지 빛으로 250만년 걸리는데, 지구에서 가장 멀리 떨어져 있는 인간의 흔적은 광속으로 하루가 안되는 거리에 있다. ・・・ 과연 우리는 광속이라는 제한에 묶인체 영원히 태양계 속에서만 살아야 할 운명인가? 우주적 스케일에서의 ‘신대륙 발견’은 불가능 한가? 현실을 생각하면 깊은 회의가 밀려온다.
하지만 과학은 그 어떤 영화나 드라마보다도 더 충격적인 반전을 선사한다. 인간의 직관과 달리, 절대적인것은 시간이 아니라 빛의 속도이다. 그리고 시간과 공간은 서로 다른 관측자에 대해 상대적이다. 예를들어 지구에서 안드로메다은하 탐사를 목적으로 광속의 99.99999999%라는 극단적으로 빠른속도 \(v\)로 이동하는 우주선을 쏘아 보냈다 가정해보자[3]. 지구기준에선 이 우주선이 광속과 거의 비슷한 속도로 이동하므로, 그것이 안드로메다까지 닿는데는 빛과 거의 비슷한 250만년 정도가 걸린다[4]. 하지만 우주선에서 느끼는 시간은 250만년에 \(\gamma\) (\(\gamma = \left[ 1- v^2/c^2\right]^{-1/2}\))를 나눠주어야 한다. 우주선의 속도가 광속에 가까워질수록 이 값은 급격히 켜지는데, 우리가 가정한 경우의 \(\gamma\) 값은 약 7만정도 이다[5]. 즉, 우주선에서 느끼는 안드로메다까지의 이동시간은 250만에 7만을 나눈 약 35년 정도가 되는 것이다. 만약 \(\frac{\left|c-v\right|}{c}=10^{-15}\)라면 그 시간은 1달 수준으로 줄어든다. 즉, 광속에 극단적으로 가까운 속도로 이동하는 관찰자는 엄청난 시간지연효과를 경험하며[6] 그러한 효과로 인해 그것이 수백광년거리든 수백만광년거리든 간에 얼마든지 짧은 시간안에 도달 가능한 것이다.
아이러니하게도, 그렇게 광속이라는 한계는 우리에게 제약이 아니라 엄청난 가능성을 준다. 하지만 그 가능성 속에는 엄청난 문제점 한가지가 도사리고 있다. 그것을 설명하기에 앞서, 우리은하에 현인류와 같은 지적문명이 몇개나 있을지 생각해보자. 어떻게 생명이 탄생 했는지, 또 그것이 어떻게 지적능력을 같춘 개체로 진화했는지 그 모든 과정을 밝혀내는데는 여전히 수많은 미스터리들이 산재 해 있다. 하지만 우리는 은하에 존재하는 지적문명의 갯수를 아주 거친 방법으로 추산 해볼 수 있는데, 관련한 가장 유명한 논의는 ‘드레이크 방정식’으로 대표되는 확률적 접근법이다. 이 방정식에서는 우리은하에 존재하는 통신가능한 지적문명의 갯수 \(N\)을 변수 7개의 곱으로 나타내는데, 칼세이건은 그의 저서 <코스모스>에서 일련의 추산과정을 거쳐 그 값을 ‘10’이라고 추산했다. 즉, 그는 1,300억개 정도로 추정되는 우리은하계 내부 행성계에서 통신가능한 지적문명이 현시점 기준 10개정도 있을것이라 추산한 것이다.
일단은 그 결과를 참이라 가정해보자. 그렇다면 그 10개의 문명은 서로 어느정도 거리에 떨어져 있을까? 우리은하 전체의 모양을 대략 둥근 원반과 같다고 보면 그것은 대략 지름이 10만광년인 원반이다. 그 속에 10개의 문명이 고르게 분포되어 있다면 이웃한 문명간의 거리는 대략 3만광년이다[7]. 우리 인류가 이들의 존재여부와 정확한 위치를 파악하는데 성공했으며, 어떤 필요에서건 이들 중 가장 가까운 행성들에 대한 직접적인 방문탐사를 결정하고 최초의 정찰대를 보냈다고 해보자.
정찰대의 성공적인 왕복여행을 위해선 어느정도의 에너지가 들까? 보이저 1호의 무게는 약 700kg 정도이다. 광속수준으로 가속하는데는 엄청난 에너지가 듦으로, 우주선의 무게와 사람수와 정찰에 필요한 장비를 최소화하여 총 중량을 대략 5톤정도로 맞췄다고 해보자. 5,000kg을 광속의 99.999999%로 가속하기 위해서는 약 3×1024 J의 에너지가 필요하다. 출력이 1GW인 원자력발전소 하나를 1년 내도록 돌려서 생산할 수 있는 에너지가 약 3×1016 J이니, 현시점에서 이는 비현실적으로 많은 에너지라 할 수 있겠다. 하지만 핵융합발전이 가능하다면 이는 한변이 약 360미터 정도되는 정육면체 속의 물을 이용하여 얻을 수 있는 정도의 에너지이며, Dyson Sphere 같은 구조물로 태양의 에너지를 실시간 포집 할 수 있다면 이는 태양 에너지의 0.1%를 실시간 포집 할 시 약 10초 동안 모으면 얻을 수 있는 정도의 에너지이다. 현시점에서 보면 엄청난 기술적 한계가 있지만, 어쨋든 어떤 미래시점에 이 모든것이 가능하다고 해보자. 그렇게 충분한 에너지를 통해 우주선을 광속의 99.999999%까지 가속 시킨다면 우리의 정찰우주선은 3만광년 거리를 편도로 약 4.2년 가량 걸려 이동 할 수 있다. 기다리는 사람도 생각해야하니 정찰 활동은 약 1년여 정도로 잡고, 모든 이동과 정찰기간을 합쳐 총 10년간의 활동을 마치고 그들은 다시 지구로 복귀한다.
인류를 대표하는 서너명의 인간이 3만광년 떨어진 외계문명을 10년의 기간에 걸쳐 성공적으로 정찰하고 돌아온다니 ・・・ 상상만으로도 너무나 멋지지 않은가? 하지만 지구에 남아있는 사람들에겐 엄청난 문제가 있다. 광속여행[8]으로 상대론적 효과를 경험하는 것은 움직이는 사람들이지, 지구에 남아있는 사람들이 아니다. 지구인에게 있어 정찰대의 활동은 무려 6만년에 걸친 왕복여정이다. 중력이 아주 강한 경우에도 이 비슷한 상황이 일어난다. 영화 <인터스텔라>에서 산처럼 높은 파도가 이는 행성에 잠깐 내려갔다 왔더니🔗 상공에서 기다리던 흑인동료가 폭삭 늙어버린 장면🔗을 기억하는가? 정확히 그런 현상이 광속여행을 하는 사람과 그들을 기다리는 사람 사이에 일어나는 것이다.
과학적 내용으로 보자면 이는 신기하긴 하지만 아주 간단한 계산에 기반한 아주 간단한 현상이다. 하지만 이 사실이 인류에게 의미하는 바는 상대론의 존재가 핵폭탄을 암시했던것 만큼이나 중대하다.
성간 혹은 은하간 만큼 먼 거리를 인간수명보다 짧은 시간안에 왕복하여 출발지로 돌아온다면, 그들이 복귀 했을때 그곳은 이미 최소 수천에서 수만년이 흐른 뒤이다[9][10]. 이는 외계문명으로의 정찰, 탐사 혹은 이주를 위한 필수요건은 우주선을 광속으로 가속시키는 기술과 막대한 에너지 뿐만아니라 ‘문명의 안정성’도 있다는 사실을 뜻한다. 그렇다면 과연 인간의 문명은 그만큼 안정적인가? ‘4대 문명’이라 불뤼는 최초의 문명이 탄생한 것은 겨우 만여년전의 일이며 인간이 처음으로 지구가 아닌 땅에 발을 디딘건 불과 70여년전의 일이다🔗. 문명의 시작부터 오늘날까지 이 세상엔 전쟁이 없었던 적이 단 한번도 없다. 20세기라는 100년의 짧은 기간동안에는 두번의 ‘세계대전’이 있었다. 만약 앞으로 수백년 이내에 전면 핵전쟁이 단 한번이라도 일어난다면 공룡이 그랬듯 인류문명은 깨끗이 사라질지도 모른다. 만약 그 일이 수백년 이내에 일어난다면 인류문명은 ‘미리내은하 한 귀퉁이에서 약 1만년 동안 지구의 최상위 포식자로 살다 멸종한 문명’이 되는 것이다.
이제 막 깊은 우주를 바라볼 수 있게된 21세기의 인류문명은 최소 수만년에 걸친 외계문명 탐사를 기다리기엔 너무나도 불안정해 보인다. 우리 인류문명이 진정한 ‘우주문명’으로 거듭나기 위해선, 빙하기나 운석충돌같은 외적요인 뿐 아니라 스스로의 내적갈등을 훌륭하게 관리하고 해소하여 스스로 자멸하지 않고 최소 100만년 이상 존속될 수 있어야 한다. 그런데 인류를 위협하는 ‘외적요인’이란 단순히 자연재해 밖에 없을까? 거꾸로, 악의적인 외계문명이 지구를 먼저 점령하려 들 수도 있지 않을까? ・・・ 나는 그런일이 일어날 가능성은 없다고 생각한다. 앞서 설명한 ‘상대론적 효과’를 고려한다면, 우리보다 앞선 외계문명이 먼저 지구에 관심을 가지는 상황에서 조차 모든 가능성과 문제들은 결국 인간자신의 문제로 귀결된다.
<서프라이즈>나 공상과학 영화에 나오는 UFO나 외계문명 이야기를 보면 어떤 생각이 드는가? 최근에는 미국의 공식적인 UFO 탐사 프로젝트나 일반인들이 촬영한 UFO 영상같은 것들이 종종 뉴스에 나오기도 한다. 그런 것들을 보며 악의적인 외계인들이 지구를 점령해 실험쥐 마냥 인간을 가지고 놀거나, 지구 구석구석 닥치는대로 파괴하고 자원을 탈취하는 장면을 상상하진 않는가? 그런 상상을 하는 누군가가 있다면, 그것은 아마 자기 자신의 폭력성 - 혹은 자신이 경험한 폭력적 경험이 망상의 형태로 드러난 결과일 것이다. 문명의 안정성이 우주문명의 필수요건이라면, 그들은 결코 다른 행성들을 게걸스럽게 먹어치우는 폭력적인 문명일 수 없을 것이다.
외계문명도 분명 수많은 개체가 함께 살아가는 사회일 것이다 — 한두명의 개인이 농사도 짓고 과학연구도하고 우주선도 만들리는 없다. 만약 그들이 그렇게도 다른 문명에 대해 배타적/공격적/이기적이라면, 과연 그들 내부에서는 그러한 특성을 어떻게 감당하겠는가? 나는 100만년 동안 지속된 문명이 절대 근본적으로 악의적이고 폭력적일 수 없다고 생각한다[11]. 성간 여행이 가능 할 정도라면 그것은 분명 상대론과 양자역학을 깊이있게 이해한 문명일 것이고, 그들은 핵에너지를 활용 할 줄 알고 핵무기도 만들 수 있을 것이다. 그러한 막강한 기술와 무기 갖추었음에도 오랜동안 ‘자멸의 가능성’을 현실화되지 않도록 관리했다면, 그 자체가 바로 그들이 인간보다 단지 기술적인 측면에서 뿐만 아니라 훨씬 더 잘 어울려 살 줄 아는 고등인식을 가진 문명이라는 증거일 것이다.
지구의 ‘특별하지 않음’을 알게된것은 인류역사에 있어 매우 중대한 사건이다. 그것은 분명 노예제도의 폐지와 자유/평등을 기반으로한 새로운 사회가 세워지는데 중요한 역할을 했을 것이다. 그렇다면 과연 인류는 전 우주 속에서 얼마나 특별할까? 우주에 지적문명이 아주 흔하다면, 어쩌면 우주전체를 대상으로 활동하는 어떤 고등문명이 이미 지구의 존재를 알고 있을지도 모른다. 그들이 별과 은하사이를 자유롭게 이동하며 필요에 따라 얼마든지 새로운 에너지원과 자원을 찾아서 쓸 줄 안다면, 그들의 역사는 아무리 못해도 수백만년 이상 지속된 역사 일 것이다. 그런 그들이 지구의 존재를 알고 특별한 관심을 가지고 있다면, 아마도 절대 먼저 그 존재를 드러내지 않을 것이다. 생각해보라 — 수백만년 이상을 성공적으로 견뎌낸 그들에게 수천년정도의 시간은 얼마나 길게 느껴질까? 그들이 앞으로 수백년 정도만 지구를 관찰한다면, 인간이라는 종이 얼마나 대화가능하고 다른 문명과 협력 할 수 있는 종인지 훨씬 더 명확하게 판단 할 수 있을것이다. 다시말해 - 그들이 지적생명이 거주가능한 아름다운 행성 지구를 알고 있다면, 그들은 아마 호시탐탐 지구를 먹으려 노리는것이 아니라 인간이라는 종이 과연 그들과 대화하고 공존 할 수 있는 존재인지를 판단하기 위해 관찰하고 기다리고 있을 것이다. 이것은 결코 나만의 생각이 아니다. <코스모스>에서 칼세이건은 다음과 같이 말하고 있다 :
어쩌면 그들은 이미 지구에 와 있을지도 모른다. 단지 신생 문명의 발전을 방해하지 않는다는 어떤 윤리적 배려나 아니면 모종의 은하법 Lex Galacrica 같은 규정 때문에 자신들의 존재를 우리에 게서 단단히 숨기고 있을 수도 있지 않을까? 또 이런 상상도 해 볼 만하다. 우리가 배양 접시에 배양한 세균을 관찰하듯이 그들도 우리를 냉정하고 면밀하게 관찰하고 있을지 모른다. 지구인들이 금년에도 자기 파멸의 구렁에서 과연 살아남는지 어디 두고 보자 하는 식으로 말이다. ・・・ <코스모스> 12장 ‘은하 대백과사전' 中
따라서 - 그 어떤 시나리오 상에서 보더라도 인류가 ‘우주문명’으로 거듭나기위해서는 우주여행을 위한 기술적 한계 뿐 아니라 우리 스스로가 안고있는 불안정성을 성공적으로 관리하고 해소해야만 한다. 고등생명이 우주에서 매우 희귀하고 전우주를 통틀어 현인류가 ‘우주문명’이 될 수 있는 거의 유일한 후보라면, 우리는 스스로의 당면한 수많은 문제와 갈등을 성공적으로 해결하며 상대론적 효과로 인한 정찰대의 긴 임무수행기간을 기다릴 수 있을 정도로 안정된 문명을 만들어야 한다. 만약 고등생명이 우주에서 매우매우 흔하여 이미 어떤 다른 문명이 지구의 존재를 알고 특별한 관심을 가지고 있다해도, 그들과 함께하기 위해선 우리 스스로가 그들과 대화하고 협력 할 준비가 돼 있어야 한다.
지구 문명이 악의에 찬 외계 문명과 만났을 때 어떻게 하면 좋을까 하고 걱정할 필요조차 없다. 그들이 살아 남았다는 사실 자체가 동족이나 다른 문명권과 잘 어울려 살 줄 는 방법을 이미 터득했음을 입증하기 때문이다. 스스로를 다스리고 남과 어울려 살 줄 모른다면 그렇게 오랜 세월을 견뎌 낼 수 없었을 것이다. 우리가 외계 문명과의 만남을 두려워하는 이유는 우리 자신의 후진성에서 유래한 것이다. 우리의 공포감은 우리 자신의 죄의식을 반영하는 것이다. ・・・ <코스모스> 12장 ‘은하 대백과사전' 中
∷
[1] 물론 공식 중에서는 E=mc2가 가장 유명하겠지만, 물리적 의미를 이해하고 있는지를 기준으로 본다면 광속불변의 원리를 훨씬 더 많이 알 것 같다.
[3] Dyson sphere 같은 구조물로 태양 전체 에너지의 일정부분을 포집 할 수 있다고 하자. 100kg 물체를 \(\left|c-v\right|=10^{-10}c\)를 만족하는 속도 \(v\)로 가속하기 위해 드는 에너지는 약 636×1021 J이다. 태양이 내뿜는 에너지의 양은 초당 약 3.8×1026 J인데, 이 중 0.1%를 실시간 포집 할 수 있다면 그 정도 에너지를 모으는데 약 1.66초가 걸린다.
[4] 우주선과 지구가 빛으로 교신한다면, 우주선이 안드로메다 까지 가는데 250만년이 걸리고, 그때 발사된 빛이 지구까지 오는데 걸리는 시간이 또 250만년이 걸려, 실제로 우주선의 편도여행을 확인하는데는 총 500만년이 소요된다. 하지만 보통의 경우, 이런 상황을 ‘지구에서는 우주선이 안드로메다 까지 닿는데 250만년이 걸리는 것으로 느낀다’는 정도로 표현한다.
[5] \(\gamma\) 값 계산기 : Lorentz Factor Calculator
[6] 보다 엄밀히 말자하면, 정지한 관찰자 입장에서 볼 때 이동하는 관찰자에게는 ‘시간지연효과’가 일어나는 것이지만 이동하는 관찰자 입장에서는 동일한 효과가 ‘길이수축’의 형태로 나타난다. 이동하는 관찰자의 시간이 마치 슬로우모션처럼 천천히 흐르는 것은 아니다.
[7] 반지름이 5인 원의 면적은 \(25pi\)이고, 이를 10등분하면 그 각각의 면적은 \(2.5pi\)이다. 그 10개 덩어리를 원으로 보고 원중심에 하나의 문명이 있다면 인접한 문명사이의 거리는 \(2\sqrt{2.5} \simeq 3\) 이다.
[8]이번 포스팅에서는 광속에 아주 가까운 속도에 이르러 상대론적 효과를 극적으로 활용하는 여행을 ‘광속여행’이라 부르자.
[9] 상대론적 효과로 인한 문제를 피하려 하면 광속불변의 원리로 인한 문제와 마주하게 된다. 광속보다 훨씬 느린 속도라면 3만광년 거리에 있는 외계문명을 정찰하고 오기위해 수백만년도 더 걸릴것이다.
[10]영화 <아바타>에 등장하는 ‘판도라’라는 행성은 태양과 가장 가까운 ‘알파 센타우리’라는 별 근방에 있는 행성으로 설정되어있다. 지구-판도라 거리는 대략 4~5광년 쯤 되는데, 이정도라면 광속여행으로 극단적인 상대론적 효과를 겪더라도 왕복하는데 지구기준 왕복 10년 정도 소요된다. 지구와 가장 가까운 별 근처에 지적문명이 있다는 설명은 감독이 상대론적 효과로인한 문제를 알고 한 설정이 아닐까? 하지만 쌓여가는 연구결과를 보면, 고등생명이 거주가능한 행성이 그렇게 흔할 순 없는것 같다.
[11] 진화적 관점에서봐도 그렇다. 어떤 개체가 무조건적으로 폭력적이고 이기적이라면 그는 주어진 환경속에서 장기간 성공적으로 번식 할 수 없다. 그렇다면 어떤 문명이 우주에서 장기간 성공적으로 번식하기 위해선 그 문명은 어떤 특성을 갖춰야 할까? 어쩌면 먼 미래에는 우주문명의 진화를 연구하는 학문이 생길지도 모르겠다.