여름잠 문명문명이 더 차가운 우주를 기다릴 수도 있는 이유
추운 곳에서는 계산이 더 싸므로 문명이 잠들 수도 있다. 이 페이지는 란다우어의 원리, 우주의 온도, 여름잠 가설을 다룬다.
정보 1비트를 지우는 데 필요한 최소 에너지는 온도에 비례합니다. 추울수록 쌉니다. 2017년 안데르스 샌드버그, 스튜어트 암스트롱, 밀란 치르코비치는 이 점을 이용해 "하면 가설"을 제안했습니다. 에너지를 아껴 아주 차가운 먼 미래에 쓰는 문명은 약 10³⁰배 더 많이 계산할 수 있으니, 외계인이 보이지 않는 건 잠들어 있기 때문이라는 이야기입니다. 게임의 "휴면자" 채널은 이 가설을 이야기로 만든 것입니다.
이 페이지는 먼저 가설 뒤의 물리를, 다음으로 반론을 다루고, 게임의 시나리오를 요약한 뒤 관련된 실제 연구를 나열합니다. 이 가설은 논쟁 중이며 받아들여진 결론이 아닙니다.
온도와 계산
- 2.7 K: 우주 마이크로파 배경은 오늘날 약 2.725 K입니다. 암흑 에너지가 지배하는 미래에는 우주의 크기가 대략 120억 년마다 두 배가 되고, 배경 온도도 그와 함께 절반이 됩니다.
- 랜다우어 원리: 1961년 롤프 랜다우어는 1비트를 지울 때 최소 kT·ln2의 열이 나와야 한다는 것을 보였고, 그래서 온도가 낮을수록 쌉니다. 2012년 실험에서는 레이저로 작은 유리 구슬을 가두고 이 한계를 처음으로 측정했습니다.
- 부메랑 성운: 알려진 가장 차가운 자연 장소는 부메랑 성운으로 약 1 K, 우주 배경보다 차갑습니다. 죽어 가는 별이 내뿜은 가스가 너무 빨리 팽창해서 스스로 식었습니다.
- 온도의 바닥: 우주는 영원히 식지 않습니다. 가속 팽창하는 우주에는 지평선이 있고, 지평선 자체에도 약 10⁻³⁰ K의 온도가 있습니다. 1977년 기번스와 호킹이 계산했습니다.
왜 "잠"인가
"하면"은 원래 여름잠을 뜻합니다. 아프리카 폐어는 건기에 진흙 속으로 파고들어 점액으로 몸을 감싸고 대사를 아주 낮춥니다. 이렇게 비가 돌아올 때까지 몇 년을 잘 수 있어요. 가설은 이 말을 빌렸습니다.
더 차가운 우주를 기다리려면 먼저 자원을 지켜야 합니다. 별이 수소를 헬륨으로 융합할 때 질량의 약 0.7%만 에너지가 되고, 대부분은 별빛으로 우주 공간에 흩어집니다. 자원을 쟁여 두려는 동기가 여기에 있습니다. 태양 질량 하나짜리 블랙홀의 호킹 온도는 약 6×10⁻⁸ K에 불과해 오늘날의 우주 배경보다 훨씬 차갑습니다. 배경이 그 아래로 내려가기 전에는 증발하지 않고 오히려 배경 복사를 천천히 흡수하니, 창고로 쓸 수 있습니다.
잠든다고 계산이 완전히 멈추는 것은 아닙니다. 정보를 지우지 않는 한 계산은 원리적으로 에너지를 거의 쓰지 않을 수 있습니다. 가역 계산이라고 하며, 찰스 베넷이 1973년에 증명했습니다.
반론: 기다릴 필요 없다
2019년 찰스 베넷, 로빈 핸슨, 카메론 리델이 반박했습니다. 우주에는 평형에서 먼 "차가운 저장소"가 가득해서, 우주가 식기를 기다리지 않고도 지금 당장 엔트로피를 버릴 수 있다는 것입니다. 기다리는 게 이득이 되는 건 문명이 모든 물질을 다 쓴 뒤입니다.
게임 속 아이디어
여기서부터는 게임 설정입니다. 이 채널은 검은 구름 채널에서 "그들은 어디 있는가?"를 묻거나, 초월의 나무에서 "축퇴 시대"를 해금하면 찾을 수 있습니다. 시나리오에서 관측자는 국부 은하군 가장자리에서 유난히 차갑고 유난히 질서 정연한 구조를 발견합니다. 엄청난 양의 물질이 한곳에 모여 있습니다. 거의 빛나지 않고 열도 내지 않습니다. 잠들어 있습니다.
메커니즘은 우주가 식기를 기다리는 것입니다. 이 채널은 우주 시계로 돌아가서, 현실 2시간마다 배경 온도가 절반이 됩니다(실제 우주에서는 약 120억 년). 잠든 동안에는 에너지만 저장합니다. 깨우면 저장된 에너지가 그 시점의 온도에서 "비트"로 바뀌고, 깨어 있는 동안에는 그 온도에서 계속 생각합니다. 늦게 깨울수록 더 많이 얻습니다. 더 차가운 우주를 쓰려면 계속 재우면 됩니다. 시나리오에는 야간 당직도 있어서, 몇몇이 깨어서 나머지를 대신해 우주를 돌봅니다. 채널의 엔딩은 두 가지입니다. 가장 차가운 순간에 깨어나거나, 일부 휴면자가 일찍 깨어나 주 문명과 함께 생각합니다. 모두 허구입니다.
관련된 소설 두 편
- 마지막 질문 (아이작 아시모프, 1956): 열역학 제2법칙에는 알려진 예외가 없고, 우주의 열적 죽음은 주류 예측의 하나입니다. 이야기에서는 세대를 이어 사람들이 점점 강력해지는 컴퓨터에게 엔트로피 증가를 되돌릴 수 있는지 묻습니다. 컴퓨터는 매번 "의미 있는 답을 하기에는 자료가 부족합니다"라고 답하고, 우주의 마지막 순간까지 이어집니다.
- 검은 구름 (프레드 호일, 1957): 호일은 실제 천체물리학자였습니다. 성간 구름에는 실제로 복잡한 유기 분자가 있고, 궁수자리 B2에서 여러 가지가 발견되었습니다.
관련된 실제 연구
아래 연구는 우주 팽창, 배경 온도, 블랙홀 증발, 먼 미래에 관한 것입니다. 관련된 실제 과학일 뿐, 문명이 잠들어 있다는 증거가 아닙니다.
- 먼 초신성을 통해 우주 팽창이 가속된다는 것이 밝혀졌고 암흑 에너지가 물리학에 들어왔습니다. 이 연구는 2011년 노벨상을 받았습니다 (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998).
- 두 번째 팀이 독립적으로 같은 결론에 도달했습니다 (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999).
- 안테나에서 제거할 수 없던 잡음이 빅뱅의 잔광으로 밝혀져 1978년 노벨상을 받았습니다 (Penzias and Wilson, The Astrophysical Journal, 1965).
- 양자 효과 때문에 블랙홀이 에너지를 천천히 방출하므로, 블랙홀은 결국 증발합니다 (Hawking, Nature, 1974).
- 수조 년 이상에 걸친 우주의 운명 계산. 별이 꺼지고, 양성자가 붕괴할 수도 있으며, 블랙홀이 마침내 증발합니다 (Adams and Laughlin, Reviews of Modern Physics, 1997).
- 보통 물질은 우주 전체 에너지의 약 5%, 암흑물질은 약 27%, 나머지는 암흑 에너지입니다 (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).
실제 근거
2.7 K: 우주 마이크로파 배경은 지금 약 2.725 K다. 먼 미래에는 암흑 에너지가 우세해서 우주의 크기가 대략 120억 년마다 두 배가 되고, 배경 온도도 함께 절반이 된다.
란다우어의 원리: 1961년 란다우어는 정보 1비트를 지울 때 최소 kT·ln2의 열이 나온다는 것을 보였다. 온도가 낮을수록 싸게 든다. 2012년에는 레이저 빛으로 붙잡은 작은 유리구슬 실험이 이 한계를 처음으로 측정했다.
부메랑 성운: 알려진 가장 차가운 자연 장소는 부메랑 성운이다. 약 1 K로 우주 배경보다 차갑다. 죽어 가는 별이 내뿜은 가스가 너무 빠르게 팽창해서 스스로 식었다.
하면: “Aestivation”은 본래 여름잠이라는 뜻이다. 아프리카 폐어는 건기에 진흙 속으로 파고들어 점액으로 몸을 감싸고 대사를 아주 낮춘 채, 비가 돌아올 때까지 몇 해씩 잠잘 수 있다.
10³⁰배: 2017년 샌드버그, 암스트롱, 치르코비치는 “하면 가설”을 제안했다. 아주 차가운 먼 미래를 위해 에너지를 아껴 두면 가능한 계산량이 약 10³⁰배 커질 수 있다는 것이다. 우리가 외계인을 보지 못하는 이유가 그것이다. 그들은 잠들어 있다.
온도의 바닥: 우주가 영원히 식기만 하지는 않는다. 가속 팽창하는 우주에는 지평선이 있고, 지평선 자체에도 온도가 있다. 1977년 기번스와 호킹이 계산한 바로는 약 10⁻³⁰ K다.
비축: 별이 수소를 헬륨으로 태울 때 질량의 약 0.7%만 에너지가 되고, 대부분은 별빛으로 우주 공간에 흩어진다.
기다릴 필요 없다: 2019년 베넷, 핸슨, 리델이 반박했다. 우주에는 평형에서 먼 “차가운 저장소”가 가득해서 지금 당장 엔트로피를 버릴 수 있으므로 우주가 식기를 기다릴 필요가 없다. 기다림이 이득인 건 문명이 모든 물질을 차지한 뒤뿐이다.
블랙홀 저장고: 태양 질량 1개짜리 블랙홀의 호킹 온도는 약 6×10⁻⁸ K에 불과해, 지금의 우주 배경보다 훨씬 차갑다. 배경이 그보다 더 식기 전까지는 증발하지 않고 오히려 배경 복사를 천천히 흡수한다.
저전력의 꿈: 정보를 지우지 않는 한 계산은 원리적으로 에너지를 거의 쓰지 않을 수 있다. 이를 가역 계산이라 한다. 베넷이 1973년에 증명했다.
마지막 질문: 아시모프의 1956년 단편 “마지막 질문”에서는 사람들이 세대마다 컴퓨터에게 묻는다. 엔트로피를 되돌릴 수 있습니까?
‘마지막 질문’(아이작 아시모프, 1956), 과학: 열역학 제2법칙에는 알려진 예외가 없다. 열적 죽음은 우주의 유력한 예측 중 하나다.
‘검은 구름’(프레드 호일, 1957), 과학: 호일은 실제 천체물리학자였다. 성간 구름에는 복잡한 유기 분자가 실제로 들어 있고, 궁수자리 B2에서 여러 종류가 발견되었다.
관련 연구
이 연구들은 이 주제와 관련은 있지만 이 페이지의 직접적인 증거는 아니에요.
가속 팽창: 먼 초신성을 '표준 촛불'로 삼아 우주 팽창이 가속되고 있음을 알아냈다. 암흑 에너지가 등장했고, 이 연구는 2011년 노벨상을 받았다.
출처:Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"
초신성 42개: 다른 팀도 독립적으로 같은 결론에 이르렀다. 우주에는 가속 팽창을 일으키는 에너지가 있다.
출처:Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"
우주 마이크로파 배경: 벨 연구소의 두 연구자는 안테나의 잡음을 도저히 없앨 수 없었고, 마침내 그것이 빅뱅의 잔광임을 깨달았다. 이들은 1978년 노벨상을 받았다.
출처:Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"
블랙홀은 증발한다: 양자 효과 때문에 블랙홀은 에너지를 천천히 내보낸다. 블랙홀은 영원하지 않으며 결국 증발한다.
출처:Hawking, Nature 1974, "Black hole explosions?"
우주의 마지막 장: 수조 년 뒤와 그 너머의 우주의 운명을 풀어냈다. 별이 꺼지고, 어쩌면 양성자가 붕괴하며, 블랙홀이 마침내 증발한다.
출처:Adams & Laughlin, Reviews of Modern Physics 1997, "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"
우주의 레시피: 플랑크 위성이 우주 마이크로파 배경의 미세한 요동을 측정했다. 보통 물질은 우주 전체 에너지의 약 5%, 암흑 물질은 약 27%, 나머지는 암흑 에너지다.
출처:Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
게임 설정 (허구)
- 노드 ‘비축’: 별이 물질을 헛되이 태워 버리지 않도록 물질을 한곳에 모은다.
- 노드 ‘기다릴 필요 없다’: 해금하면 그들을 깨울 때의 변환율이 최소 8배가 된다.
- 노드 ‘야간 당직’: 모두가 잠드는 것은 아니다. 몇몇 감시자는 깨어서 다른 이들을 대신해 우주를 돌보아, 아무도 자원을 낭비하지 않게 한다.
- 노드 ‘저전력의 꿈’: 잠든 동안 그들은 가역적인 꿈을 꾸며, 깨어난 뒤 계산해야 할 것들을 줄 세운다.
- 노드 ‘마지막 질문’: 야간 당직이 주 문명의 질문 하나에 답했다.
- 노드 ‘깨어남’: …
- 채널 엔딩 ‘가장 추운 시간’: 그들은 우주에서 가장 추운 시간에 깨어난다. 그때는 별이 모두 꺼졌고 모든 은하가 지평선 너머로 멀어져 있다. 그들은 어둠 속에서 깨어나 수조 년 동안 모아 둔 질문을 생각하기 시작한다.
- 채널 엔딩 ‘기다릴 필요 없다’: 여름잠 문명 일부가 깨어나 주 문명과 함께 생각하기 시작했다. 그들은 말했다. 기다림은 미덕이지만 유일한 미덕은 아니라고. 이번 회차에서 주 문명의 ‘성간 문명’ 산출이 +8%.
- 소설 ‘마지막 질문’ 줄거리: 세대를 거듭하며 사람들은 갈수록 강력해지는 컴퓨터에게 엔트로피 증가를 되돌릴 수 있는지 묻는다. 컴퓨터는 매번 “데이터 불충분”이라 답하다가, 우주의 마지막 순간에 이른다.
- 소설 ‘검은 구름’ 줄거리: 성간 가스 구름이 태양계로 흘러들어 햇빛을 가린다. 천문학자들은 곧 그 구름이 살아 있고 매우 지적임을 알게 된다.