| 미래의 타임랩스 : 시간의 끝으로의 여행[1][2] |
"For the first time in its life, the universe will be permanent and unchanging. Entropy finally stops increasing because the cosmos cannot get any more disordered. Nothing happens, and it keeps not happening, forever."
"생애 처음으로 우주는 영원하고 불변하게 됩니다. 우주는 더 이상 무질서해질 수 없기 때문에 엔트로피는 마침내 증가하길 멈추게 됩니다. 아무 일도 없을 것이고, 일어나지도 않을 겁니다. 영원히."
- 브라이언 콕스, 영국의 물리학자
"생애 처음으로 우주는 영원하고 불변하게 됩니다. 우주는 더 이상 무질서해질 수 없기 때문에 엔트로피는 마침내 증가하길 멈추게 됩니다. 아무 일도 없을 것이고, 일어나지도 않을 겁니다. 영원히."
- 브라이언 콕스, 영국의 물리학자
1. 개요
Big Freeze / 대동결(大凍結), 대냉각(大冷却)빅뱅 우주론에 입각한 우주 종말 가설.
2. 설명
빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로, 열적 사멸이라고도 불린다. 우주가 끝없이 팽창하며 엔트로피가 극도로 높아진 끝에 결국 모든 입자가 붕괴하고[3] 광자, 중성미자 등의 아원자 입자만 남게 되는 종말을 뜻한다. 현재 정설로서 가장 지지 받는 우주 종말 시나리오이다.[4]이명으로 빅 칠(Big Chill, 대냉각) 또는 열적 사멸(Heat Death/Thermal Death)이 있다. 열적 사멸이라는 이명이 붙은 이유는 열 때문에 죽는다는 의미가 아니고, 모든 우주의 온도가 균등하므로 주위에 비해 온도가 높기에 발생하는 '열의 흐름'이 사라진다는 것이다. 우주가 팽창하는 만큼 평균 온도와 밀도는 계속 내려가며 절대영도(0K)에 근접할 것이기에 빅 프리즈, 빅 칠이라는 이름이 붙었다.
특히 이 시나리오가 열역학에서 말하는 열적 사멸로도 불리는 이유는 빅 프리즈와 열적 사멸의 진행 과정이 상당히 유사하기 때문이다. 열적 사멸은 우주의 물질이 점차 흩어지고 섞여서 어디나 다 같은 균일한 우주가 되는 것으로 별도, 은하도, 블랙홀도 없이 우주 전체가 동일한 거시적 상태인 최대 엔트로피 상태가 되는 것을 말한다.
그렇지만 우주가 진정으로 랜덤한 운동을 한다면, (즉 Ergodic하다면) 아주 긴 시간을 거치며 우주는 모든 가능한 상태를 전부 경험하게 될 것이고 그 중에는 모든 물질과 에너지가 중력에 의해서가 아니라도 푸앵카레의 재귀 정리에 의해 우연히 원래 상태인 한 점에 모이는 상태도 언젠가는 거치게 되며 이를 통해 재차 빅뱅이 일어날 수 있다. 이전 우주에서 빅뱅이 일어나 다시 우주가 태어나고 이런 상태가 지속된다는 이론은 등각순환우주론 문서로. 이런 상태가 반복되는 우주의 푸앵카레 재귀 시간은 대략 [math(10^{10^{10^{56}}})][5]년 정도이다. 이건 현재 수준의 팽창률을 유지할 때 이야기고 팽창 속도가 천체의 이동 속도를 넘어선다면 재귀 시간이 훨씬 길어지게 된다.
중력이 다른 요인보다 강할 경우에도 빅 프리즈는 완전한 정지가 아닐 수 있는데, 확률적으로 엔트로피가 최대인 균일 분포가 중력 입장에선 최대가 아니기 때문이라고 한다. 즉 중력에 의해 다시 뭉치기 시작하고... 다만 중력이 제일 약하다는 게 문제다.[6]
현재의 관측 결과로는 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다. 실제로 먼 거리에 있는 Ia형 초신성을 관측한 결과 암흑에너지에 의해 우주의 팽창 속도가 느려지기는커녕 점점 빨라지고 있다는 것이 밝혀졌다. 이 추세가 유지된다면 시간이 지날수록 우주의 팽창 속도는 계속 증가하여 우리 은하와 안드로메다 은하가 포함된 국부 은하군[7]을 제외한 현재 인류가 관측 가능한 모든 은하들이 보이지 않게 될 것이다.
우리 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다는 점 때문인지 유독 빅 프리즈를 막을 방법에 대한 이야기가 상당히 자주 거론되지만 우리 우주 내부의 존재가 빅 프리즈를 막는다는 것은 곧 기존의 물리법칙을 뒤집는다는 것과 같다. 즉, 제2종 영구기관이 존재해야 한다는 말인데 과거에 흔히 생각하던 형태의 영구기관은 사실상 유사과학의 영역에 있다는 것이 학계의 정설이다. 더군다나 아래에 언급될 빅 립과 달리 명칭이 빅 '프리즈'로 되어 있다는 점 때문에 그다지 주목받지 못하는 사실이지만 상술했듯이 빅 프리즈 역시 단순히 우주가 얼어붙기만 하는 게 아니라 기본 입자가 점점 붕괴하면서 물질 구조를 더 이상 이루지 못 하고 끝나는 상황이다. 빅 립과 물질 구조의 붕괴 과정은 다르지만 물질 구조를 더 이상 이룰 수 없다는 점에서는 다를 게 없다. 설령 양성자가 붕괴하지 않는다고 하더라도 1040년 부터는 가용 에너지 부족으로 인해 문명이 더 이상 생존하기 어려울 것이며, 이후 충분히 긴 시간([math(10^{10^{26}})]년 이상)이 주어지면 남은 천체들이 양자 터널링 현상으로 인해 점점 압축되어 블랙홀로 붕괴한 뒤 호킹 복사가 나타나고 열적 사멸에 이를 것이라고 한다.
매체에서는 빅 프리즈가 꿈도 희망도 없는 암울한 미래[8]인 것처럼 말하지만 어차피 멸망하는 것은 어느 쪽이든 매한가지라면 인류가 그나마 오래 살 수 있는 것은 빅 프리즈다. 우주 전체가 태양보다도 뜨겁게 타오르다 결국엔 원자핵 하나보다도 작은 크기로 뭉쳐지는 빅 크런치나 생명체는 물론이고 모든 원자핵, 쿼크까지도 갈기갈기 찢어버리는 빅 립과 달리 빅 프리즈에서는 우주가 서서히 죽어가면서 아주아주 오랫동안 유지된다. 과학 기술이 발달해서 생명을 유지할 물질과 에너지만 충분히 확보할 수 있다면 다른 두 시나리오에 비해 압도적으로 오랜 시간 동안 문명을 지속할 수 있을 것이다.
그런데 과학자들은 양성자가 붕괴한 이후에도 포지트로늄과 같은 입자들이 다시 모여서 물질 구조를 형성할 수 있으며, 이 새로운 물질 구조로 이루어진 생물체가 발생할 수 있다고 추측하기도 한다. 만일 존재한다면 지금 우리의 입장에서는 가장 단순한 단세포 생물도 수천만 광년에 걸쳐 퍼져 있는 소립자의 안개처럼 보이리라고 추측한다. 이러한 생물체가 다시 뭉쳐서 이성을 지닌 지적인 생물체를 이루려면 천문학적이라는 말로도 모자랄 만큼 까마득한 시간이 걸릴 것이다. 사실 양성자와 중성자가 붕괴했을 정도라면 지금의 우주에 대해 알아낼 방법조차 없을 것이다. 그러한 생명체에게 우리의 존재는 마치 우리에게 빅뱅 후 10-12초 시점에 아주 작은 물질로 이루어진 지적 생명체가 존재했다고 말하는 것이나 마찬가지이다.
위의 유튜브 영상에서 물리학자 미치오 카쿠는 우주의 열적 죽음이 오기 전에 고도로 발달한 문명이 한 점에 막대한 양의 에너지를 집중 시켜 새로운 아기 우주를 창조하고 그 우주로 탈출할 수 있을 것이라 예상한다.
이 파트에서 소개된 영상은 양성자 붕괴가 일어난다는 전제하에 나온 시나리오이다. 만약 양성자 붕괴가 일어나지 않는다면 상황은 굉장히 달라질 수 있고, 다음과 같이 전개된다. 제4천년기 이후 문서 참조.
- 서기 1정(1040) 년: 인류 또는 다른 문명이 우주 공간에서 생존 가능한 마지막 시간대[9]이다. 이 시간대 이후로 사실상 블랙홀 에너지조차 사용이 불가능해지면서 모든 생명체는 완전한 종말을 맞게 된다. 물론 시간 규모가 규모다 보니 그 종말의 과정은 아무리 짧아도 최소 수 조년 이상은 걸릴 것[10]이고 그 시간 동안 수 억 세대 이상에 걸쳐 굉장히 완만하게 개체 수와 가용 에너지가 줄어드는 형태로 나타날 것이다.
- 서기 10불가사의(1065) 년: 암석 같은 단단한 물체를 이루는 원자와 분자들이 양자 터널 효과에 의해 재배열된다. 이 정도로 긴 시간이 지나면 모든 물질은 유리와 같은 비결정질 고체가 되어 유체의 속성을 띠게 된다.
- 서기 101500년: 남아있는 천체를 구성하는 원자들이 철-56으로 붕괴하는 데 걸리는 시간이다. 이때 흑색왜성은 철 별(Iron star)이 된다. 빛은 사라진 지 오래고, 이 별들은 암흑뿐인 우주를 그 뒤 붕괴될 때까지 떠돌게 된다.
- 서기 [math(10^{10^{26}})]년: 철 별이 양자 터널링을 통해 중성자별이나 블랙홀로 붕괴하는 데 걸리는 시간이다.
- 서기 [math(10^{10^{76}})]년: 남아 있는 모든 물질이 블랙홀이 되는 가장 오래 걸리는 시간이다.
- 서기 [math(10^{10^{120}})]년: 마지막 블랙홀이 소멸하고 열적 사멸을 맞는 가장 오래 걸리는 시간이다.
3. 대중매체에서
- 판타지 RPG인 위쳐 3의 재앙인 백색 서리도 일종의 빅 프리즈와 유사한 것으로 설명되고 있다. 다만 단일우주가 아니라 여러 다원우주에 걸쳐 퍼져나가고 있는 게 특이한 점.
- 어드벤처 게임 아우터 와일즈는 빅 프리즈로 인한 우주 종말의 직전 시점에 탄생하고 지성체로 진화한 불운한 종족의 이야기를 그리고 있다.
- 마블 시네마틱 유니버스의 우주는 10억 년마다 셀레스티얼이 탄생해야만 우주를 지속적으로 존속시킬 수 있다는 설정이 있는데, 셀레스티얼 중에서도 수장에 속하는 아리솀에 말에 따르면, 셀레스티얼은 막대한 에너지를 스스로 만들어내는 존재인 만큼 셀레스티얼이 존재하지 않으면 우주가 어둠에 삼켜지고 모든 생명이 죽는다고 한다. 간접적으로나마 빅 프리즈를 언급한 셈.
[1] 빅 프리즈로 인한 우주 멸망 과정을 보여주는 영상으로, 시작 3분만에 태양의 수명이 다하고 4분만에 모든 별들이 죽는다. 매 5초마다 시간의 흐름 속도가 2배로 증가함에도 불구하고 영상의 총 길이가 무려 30분이나 된다. 빅 프리즈의 과정이 얼마나 느리게 진행되는지를 알 수 있다.[2] melodysheep의 영상.[3] 양성자가 영원하지 않다면, 즉 대통일 이론에 따르면 ~년이 지나면 양성자가 붕괴하며 이렇게 되면 현재의 물질 구조를 더 이상 유지할 수 없게 된다. 그러나 현재까지 양성자 붕괴를 검출하려는 시도는 모두 실패하였으며 기존 이론이 틀렸을지도 모른다. 다만 양성자 붕괴가 실제로 일어나지 않는다고 해도 무한에 가까운 시간 끝에 우주가 열적 사멸을 맞이한다는 사실 자체는 아직까지 변하지 않는다. 열적 사멸 이후에는 통계역학에 따라 극히 낮은 확률로 자발적인 엔트로피 감소가 올 수 있으므로 명확한 의미의 영원한 멸망은 아닐 가능성이 존재한다. 그러나 열적 사멸까지 도달하는 데만 상상조차 할 수 없는 시간이 걸리고, 자발적 엔트로피 감소가 오는 시점은 그보다도 압도적으로 먼 미래의 이야기이기 때문에 흔히 편의상 멸망 혹은 우주의 종말이라고 언급된다.[4] 적색왜성을 포함한 모든 별이 식어버리고 블랙홀만이 남았을 때까지는 블랙홀의 작용권에서 나오는 에너지를 이용해 제한적으로 생존이 가능하다. 그러나 블랙홀도 영구기관은 아니므로 언젠가는 회전을 멈추고 더 이상의 에너지를 뽑아낼 수 없게 된다. 블랙홀 자체도 호킹 복사에 의해 매우 천천히(약 10100 년 동안) 증발하다 폭발하며 사라질 것이다. 자세한 건 블랙홀의 작용권 문서로.[5] 테트레이션을 이용해 약 [math(36 \uparrow \uparrow 4 = 36^{36^{36^{36}}})]라고 쓸 수 있다. 이는 [math(1e+5600)]과는 다른 값으로, [math(10^{10^{10^{56}}})]이 압도적으로 크다.[6] 중력은 생각보다 매우 약하다. 자연의 4가지 힘(전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용, 중력) 중 가장 약하다. 거대한 지구 크기의 질량을 가져야 우리가 일상적으로 느끼는 중력이 되니 말 다한 셈. 전자기력을 생각해 보자. 손가락보다 작은 자석으로도 서류 집게 하나쯤은 끌어당길 수 있다. 지구 전체가 집게를 끌어당기는 중력보다 작은 자석 하나가 지닌 전자기력이 더 강하다는 것을 바로 알 수 있다. 약한 상호작용이나 강한 상호작용은 원자 단위로 넘어가 버린다.[7] 이 시기에는 두 은하가 합쳐져 밀코메다를 형성했을 것이다.[8] 이런 관점에서는 '진정한 의미의 끝'이 없을 수도 있는 빅 크런치를 희망적으로 보는 게 일반적이다.[9] 다른 에너지원을 찾지 못했다는 전제 하에.[10] 1조 년은 1040년에 비하면 1028 분의 1이다.[11] 하지만 닥터후/등장 외계인 문서를 보면 알겠지만 이런 빅 프리즈로 인한 종말에 코웃음치며 살아남을 수 있거나 그것보다 훨씬 위험한 외계 문명과 존재들이 한가득이다(...) 당장 주인공 닥터의 종족인 타임로드부터가 빅 프리즈로 부터 살아남을 수 있는 카르다쇼프 척도 Ⅳ유형 이상의 문명에 해당된다.