인류의 문명은 어느 단계에 도달해 있을까? 어떤 사람들은 현재의 인류 문명이 극도로 발전했다고 말할 수도 있을 것이고 어떤 사람들은 여전히 원시적인 수준에 머물러 있다고 말할 수도 있을 것이다. 그런데 이것은 상대적인 개념이라 어느 의견이 옳거나 틀린 것은 아니다. 하지만 과학계에서는 이런 상대적인 개념에 머물러 있을 수는 없었다. 인류의 미래나 앞으로 만날 수도 있는 외계 문명의 기술발전의 정도를 측정하기 위해 좀 더 체계적이고 객관적인 기준이 필요해지기 시작한 것이다. 그래서 몇몇 물리학자들과 천문학자들은 문명의 기술발전의 정도를 측정하는 몇 가지 방법들을 고안해내기 시작했다. 그렇게 고안된 몇몇 방법들은 인류의 미래를 객관적으로 전망할 수 있는 일반적인 지표로 사용되기 시작했다. 물론 아주 먼 미래에는 어떤 기술이 사용될지 모르기 때문에 나중에는 완전히 다른 척도를 써야할지도 모르겠지만 말이다. 문명의 발전 정도를 측정하는 몇 가지 객관적인 방법들을 알아보고, 인류의 문명이 어느 단계까지 도달했는지에 대해 알아보자.
0. 목차
- 카르다쇼프 척도 (에너지 사용량에 의한 척도)
- 공간적 척도에 의한 분류법
- 정보량에 의한 분류법
- 미소차원적 척도에 의한 분류법
- '엔트로피'와 '문명의 단계'
- 오메가 포인트(Omega Point)
1. 카르다쇼프 척도 (에너지 사용량에 의한 척도)
생명체는 열역학적으로 볼 때 불안정한 존재다. 그렇기 때문에 생명체들은 자신의 안정성을 유지하거나 생명을 유지하기 위해 에너지를 소비해야 한다. 문명의 수준을 측정하는 가장 일반적인 척도인 '카르다쇼프 척도(Kardashev scale)'는 더 고도의 기술을 가진 문명일수록 더 많은 에너지를 사용하게 될 것이라는 발상에서 나온 개념이다. 1964년, 소련의 천문학자 '니콜라이 카르다쇼프(Nikolai Kardashev, 1932~2019)'는 문명의 기술발전의 정도를 측정하기 위해, 문명에서 사용하는 에너지의 총량에 따라 3단계로 분류하는 방법을 고안하였다.
'1단계 문명'은 1016와트의 에너지를 사용하는 문명으로, '행성(우리의 경우 지구)'으로 유입되는 에너지를 모두 사용하는 정도다. 현재 인류는 지구에 들어오는 에너지도 모두 활용하지 못하고 있으니 1단계에도 도달하지 못한 셈이다. 현재 인류의 카르다쇼프 척도는 2010년 기준으로 20TW의 에너지를 생산해 카르다쇼프 척도 0.73을 달성하였다. 참고로 산업혁명 당시 인류의 문명의 카르다쇼프 척도를 계산해 보면, 그때 생산하던 에너지량이 600~800W로 추청되니 약 0.57~0.59 정도의 값이 산출된다고 한다.
'2단계 문명'은 약 1026와트의 에너지를 사용하는 문명으로, '별(우리의 경우 태양)'에서 방출된 에너지를 모두 사용하는 정도다. 우리 지구인의 경우는 태양에서 나오는 에너지를 모두 이용할 수 있어야 한다. 이 문명에 들어선 인류는 태양을 감싸는 다이슨 스피어를 건설하여 2단계 문명권에 들어설 것으로 예상하고 있다. 이 시기의 인류는 태양계 밖으로 진출해 있을 것이고 광속에 가까운 추진 기관의 등장으로 더 쉬운 우주 개척이 가능한 문명이 되어 있을 것이다. 어쩌면 워프나 초공간 도약을 사용할 수 있을지도 모르겠다.
3단계 문명'은 약 1036와트의 에너지를 사용하는 문명으로, '은하(우리의 경우 우리은하)'에서 방출된 에너지를 모두 사용하는 정도와 비슷하다. 참고로 우리은하에는 태양 같은 항성이 약 2000억 개 이상 있다고 알려져 있다. 일반인들이 잘 모르는 천문현상 중에서 '감마선 폭발'이라는 것이 있다. 우주에서 하루에 한 번 꼴로 관측될 정도로 아주 흔하게 일어나는 현상인데 감마선 폭발이 일어나면 1초도 안되는 찰나의 순간에 태양이 평생동안 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지가 뿜어져 나온다. 이 감마선 폭발을 일으키는 외계 문명이 있다면 그들의 문명은 3단계 이상의 문명으로 분류해야 할 것이다.
'니콜라이 카르다쇼프(Nikolai Kardashev)'는 원래 3단계의 척도까지만 고안했었다. 하지만 시간이 지나고 일본계 미국인 물리학자인 '미치오 카쿠'가 4단계 문명의 개념을 구체화하였다. 4단계 문명은 '우주 하나'에 있는 에너지를 100% 이용할 수 있는 문명을 말한다. 인류가 이 문명권에 들어선다면 '암흑에너지(Dark Energy)' 등의 에너지원을 활용하게 될 것이다. 우주의 시공간을 왜곡하는 것이 가능할지도 모르며, 물리법칙들을 자유자재로 바꿀 수도 있고, 은하계를 건설하고 파괴할 수 있을지도 모른다. 현재 인류가 이해하기 힘든 초월적인 기술을 가진 문명이 될 것으로 예상된다.
2. 공간적 척도에 의한 분류법
항공우주공학자인 '로버트 주브린(Robert Zubrin)'은 그 문명이 차지하고 있는 공간이 얼마나 되는지를 기준으로 문명의 수준을 측정하는 방법을 고안하였다.
이 척도에 의하면 제1유형은 하나의 행성과 그 주변지역을 영역으로 삼고 있는 문명을 말한다. 하지만 인류는 현재 행성에 있는 심해나 극지방 등도 정복하지 못했기 때문에 제1유형에 속한다고 하기에도 조금 애매한 부분이 있다. 제2유형은 여러 개의 행성을 영역으로 삼고 있는 문명을 말한다. 인류는 현재 제2유형으로 나아가 다행성종으로 진화할 준비를 하고 있는 것이다. 제3유형은 은하를 영역으로, 제4유형은 다수의 은하나 은하단 전체를 영역으로, 제5유형은 하나의 우주를 영역으로, 제6유형은 '다중우주(Multiverse)'를 영역으로 삼고 있는 문명을 말한다. 마지막으로 모든 우주를 영역으로 삼는 문명인 오메가 유형도 존재한다.
3. 정보량에 의한 분류법
1960년대에 '니콜라이 카르다쇼프(Nikolai Kardashev)'의 문명 분류법이 알려지자, 과학자들은 '에너지 생산량'에 관심을 가졌다. 그러나 컴퓨터의 성능이 획기적으로 향상되면서 '한 문명이 처리할 수 있는 정보의 비트 수'가 문명을 측정하는 새로운 기준으로 떠올랐다. 이 방법을 제안한 사람은 전설적인 스테디셀러 '코스모스(COSMOS)'의 저자로 유명한 세계적인 천문학의 거장 '칼 세이건(Carl Sagan, 1934~1996)'이다. 그는 문명의 수준을 A부터 Z까지 분류하였다.
A 단계는 100만 비트의 정보를 처리하는 문명으로, 문자 없이 언어로만 소통하던 원시 문명이 여기에 속한다. '칼 세이건'은 이 문명이 소유하고 있는 정보의 양을 스무 고개에 비유하였다. 즉, 이 문명에 속해 있는 임의의 대상은 '네(Yes)' 또는 '아니오(No)'라는 질문을 20회 거치면 하나로 결정된다는 것이다. 예컨대 '그것은 살아 있습니까?'라는 질문을 던지면 대상이 반으로 줄어들고, 이런 식으로 계속 반씩 줄여나가다 보면 220개 또는 106개의 대상들 중에서 하나를 골라낼 수 있다. 이것이 A형 문명이 갖고 있는 정보의 총량이다.
그 후, 문자가 발명되면서 원시사회의 정보량은 폭발적으로 증가했다. '매사추세츠 공과대학교(MIT: Massachusetts Institute of Technology)'의 물리학자 '필립 모리슨(Phillip Morrison)'은 고대 그리스인들이 남긴 유물(언어, 문서 등)'들 중 지금까지 남아 있는 모아 있는 내용을 하나로 합치면 109비트가 된다고 평가했는데, 이는 '칼 세이건(Carl Sagan)'의 분류법에 의하면 C형 문명에 속한다.
그리고 1970년 당시의 정보량은 약 100조 비트로 측정되었는데, 이는 H형 문명에 해당된다고 말할 수 있다. '칼 세이건(carl sagan)'은 전 세계의 도서관에 보관되어 있는 책의 수에 평균 페이지 수를 곱하고, 거기에 한 페이지당 평균 글자 수를 곱해 현대 문명의 정보량이 대략 '1013(100조)'비트라는 결론을 내렸다. 여기에 사진과 그림 등 영상 정보까지 합하면 1015비트로 증가하며, 이것은 H형 문명에 해당되는 양이다.
3-1. '에너지의 양'과 '정보의 양'을 동시에 나타내기
문명의 단계는 '에너지의 양'과 '정보의 양'을 동시에 나타낼 수도 있다. 예컨대 카르도쇼프 척도로 '0.7단계'와 정보량에 의한 분류법으로 'H형 문명'에 해당되면, 0.7H단계에 와 있다고 말할 수 있다. '칼 세이건'은 지구의 문명이 1.5~1.8K단계에 이르렀을 때 비로소 외계 문명과 접촉할 수 있을 것으로 추정하였다. 우주여행과 관련된 역학은 이 단계가 되어야 완전히 습득할 수 있다고 보았기 때문이다. 우리가 이 단계에 이르려면 앞으로 최소한 수백 년을 기다려야 한다.
3단계 문명의 정보량도 이와 비슷한 방법으로 계산할 수 있다. 즉 '하나의 행성이 보유할 수 있는 정보의 양'에 '은하 안에 존재하는 행성들 중 생명체가 살 만한 행성의 수'를 곱하면 된다. 칼 세이건은 하나의 은하를 완전히 지배하는 문명을 3Q단계, 그리고 수천 억 개의 은하를 모두 지배하는 문명을 3Z단계로 추정하였다.
과학자들이 할짓이 없어서 한 심심풀이 계산이 결코 아니다. 지금의 우주를 떠나 다른 우주로 이주할 수 있을 정도의 문명이라면, 우주 반대편의 환경을 순수한 계산만으로 알아낼 수 있어야 한다. 그런데 아인슈타인의 '장방정식(Field equations)'은 풀기 어렵기로 유명하다. 임의의 지점에서 공간의 곡률을 알아내려면 우주 전체 질량분포 상태를 하나도 빠짐없이 알고 있어야 하기 때문이다. 뿐만 아니라 블랙홀에 대해 '양자적 보정(Quantum Correction)'을 가하는 방법도 있어야 하는데, 아직은 요원한 이야기다. 사정이 이러해서 현대의 물리학자들은 블랙홀을 '단 하나의 수축된 별'로 이루어진 우주'로 간주하는 근사적인 접근을 시도하고 있다. 블랙홀의 '사건의 지평선(Event Horizon)' 내부와 '웜홀의 입구 근처'에 적용되는 역학을 좀 더 현실에 가깝게 이해하려면, 그 근방에 있는 모든 천체들의 정확한 위치와 에너지, 그리고 양자적 요동을 계산할 수 있어야 한다. 하지만 이 역시 지금의 수준으로는 불가능한 작업이다. 현재의 수준으로는 수천억 개의 은하는 고사하고, 단 하나의 별을 상대로 하는 방정식의 해조차 구하지 못하지 있다.
4. 미소차원적 척도에 의한 분류법
물리학자 '존 데이비드 바로우(John David Barrow, 1952~2020)'는 얼마나 작은 세계를 다룰 수 있느냐로 문명의 수준을 측정하였다. 분자를 넘어서 원자 쿼크 같은 작은 소립자들을 자유자재로 조작할 수 있다면, 사실상 우주의 모든 물질들을 자유자재로 재조립할 수 있는 것이기 때문에 엄청난 능력을 지닌 문명일 것이라는 발상에서 나온 개념이다.
이 분류법에 의하면 '마이너스 제1유형'은 한 생명체의 몸으로 개체를 조종할 수 있는 문명을 말하며, '마이너스 제2유형'은 유전자 코드를 변형하는 등의 미시세계를 다룰 수 있는 문명을 말한다. '마이너스 제3유형'은 분자와 분자를 결합시켜 새로운 분자를 만들 수 있는 기술을 가지고 있는 문명을 말하며, '마이너스 제4유형'은 나노 기술에 의해 개별 원자를 결합시켜 분자를 만들 수 있는 기술을 가지고 있는 문명을 말한다. '마이너스 제5유형'은 '양성자(Proton)'와 '중성자(Neutron)'의 수를 변형시키거나 다른 소립자를 넣어 새로운 원자를 만들 수 있는 수준의 기술을 가진 문명을 말하며, '마이너스 제6유형'은 '쿼크(Quark)'와 '렙톤(Lepton)'급의 입자를 다룰 수 있는 문명을 말한다. 하지만 이 분류법에 따르면, 인류가 현재 어느 단계에 도달했는지는 굉장히 애매한 부분이 많다. 그래도 굳이 따지자면 현재 인류는 대체적으로 4~5유형에 도달했다고 보는 게 가장 적절할 것 같다.
5. '엔트로피'와 '문명의 단계'
최근 들어 일각에서는 '에너지와 정보만으로는 문명의 수준을 가늠하기 어려우므로, '오염도'와 '쓰레기 배출량'을 추가해야 한다는 의견이 제시되었다. 사실, 에너지를 많이 쓰고 정보 처리량이 많은 문명일수록 쓰레기와 오염도 많이 배출되기 마련이다. 이것은 결코 쉽게 넘길 문제가 아니다. 2단계 이하의 문명은 쓰레기에 파묻혀 사라지도 모르기 때문이다. 또 에너지 소비량을 제어하지 못한 문명이 스스로 자멸했을 가능성도 있다. 그러므로 에너지와 정보량이 많다고 해서 문명이 반드시 살아남는다는 보장은 없다.
그렇다면 이상적인 문명은 '에너지(Energy)'와 '정보(Information)'를 대량으로 사용하면서 쓰레기와 열을 많이 배출하지 않는 문명이다. 우리 모두는 인류의 문명이 이런 식으로 현명하게 발전하기를 바라지만, 말처럼 쉬운 것은 아니다. 이 문제는 디즈니 만화영화 '월-이(Wall-E)'에 잘 표현되어 있다. 미래의 어느 날, 최고급 우주 유람선이 승객을 가득 싣고 지구를 떠난다. 목표는 우주관광이 아니라, 쓰레기와 오염에 덮여 더 이상 사람이 살 수 없게 된 로봇들이 복원할 때까지 당분간 피신하는 것이었다.
문명이 발달하면 쓰레기는 불가피한 것일까? 그 해답은 열역학 법칙에서 찾을 수 있다. '열역학 제1법칙'은 '우주에 존재하는 질량과 에너지의 총량은 불변'이라는 것이다. '열역학 제2법칙'은 '엔트로피의 총량은 항상 증가한다'는 것이다. 즉, 모든 것은 녹슬거나 부패하거나 노화되거나 분해되어 결국 사라진다는 뜻이다.
만약 인류가 2단계나 3단계 문명으로 진입하면서 무작정 에너지를 생산한다면, 쓰레기와 열도 대책 없이 쌓이다가 결국 지구는 생명체가 살 수 없는 죽음의 행성이 될 것이다. '쓰레기', '열', '무질서', '오염'은 '엔트로피(Entropy)'의 또 다른 형태이다. 결국 엔트로피가 문명을 파괴하는 셈이다. '정보(information)'도 마찬가지이다. 정보를 기록하고 전달하기 위해 숲을 초토화시키고 산더미 같은 종이 쓰레기를 양산한다면, 인류는 자신이 만든 정보 쓰레기에 파묻히고 말 것이다.
5-1. '엔트로피 보존 문명'과 '엔트로피 낭비 문명'
따라서 문명의 수준을 '엔트로피'로 가늠하는 또 하나의 기준을 도입할 필요가 있다. 여기에서는 이미 언급한 문명의 단계와 별도로 엔트로피와 관련된 두 가지 단계를 추가하고자 한다.
- 엔트로피 보존 문명: 첫 번째는 쓰레기와 열을 제어할 수 있는 '엔트로피 보존 문명'이다. 이 '엔트로피 보존 문명'의 사람들은 '에너지 수요가 계속 기하급수적으로 증가하면 행성의 환경이 완전히 파괴된다.'라는 사실을 알고 있다. 진보된 문명이 양산하는 '엔트로피'는 시간이 흐를수록 쌓일 수밖에 없다. 이것은 피할 수 없는 사실이다. 하지만 우리가 살고 있는 행성의 국소적 엔트로피는 나노기술과 에너지 재활용을 통해 감소시킬 수 있다.
- 엔트로피 낭비 문명: 두 번째는 에너지 소비량을 무한정 늘려가는 '엔트로피 낭비 문명'이다. 행성에 에너지와 열이 너무 많이 쌓여서 도저히 살 수 없게 되면, 다른 행성에 쓰레기를 갖다 버리거나, 영화 '월-이(Wall-E)'처럼 아예 고향 행성을 버리고 다른 곳으로 이주해야 한다. 그러나 다른 행성으로 진출하는 데 필요한 기술이 아직 개발되지 않았다면, 가만히 앉아서 쓰레기 더미에 묻히는 수밖에 없다. '엔트로피의 증가 속도'가 기술의 발전속 도'보다 빠르면 남는 것은 재앙뿐이다.
5-2. 다행인 것은 에너지 효율이 좋아지고 있다는 점이다.
그나마 다행인 것은 '에너지 효율'을 높여 '엔트로피의 증가'를 억제할 수 있다는 점이다.
19세기 증기기관은 트럭 한 대 분의 석탄으로 거대한 보일러를 가동시켰다. 누구든지 박물관을 찾아가 이 장치를 직접 보면 효율이 얼마나 낮았는지 실감할 수 있을 것이다. 실제로 당기의 증기기관은 관리인조차 가까이 접근하기 어려울 정도로 엄청난 열기를 방출했다. 지금 운행되고 있는 '전기로 가는 기차'와 비교해 보면, 100년 사이에 엔진의 에너지 효율이 크게 높아졌음을 알 수 있다. 석탄으로 가동되는 화력발전소에서는 산더미 같은 쓰레기와 함께 엄청난 열과 오염물질이 대기 중으로 방출된다. 그러나 '재생에너지'와 '전자제품의 소형화'를 통해 에너지 효율을 높일 수 있다면, 발전소에서 방출되는 쓰레기와 열도 크게 줄일 수 있을 것이다.
또 '상온 초전도체(상온에서 작동하는 초전도체)'가 발견된다면, 마찰로 낭비되는 열이 획기적으로 줄어들어 '에너지 효율'이 크게 올라갈 것이다. 우리가 소비하는 에너지의 대부분은 이동 수단에서 발생하는 마찰력을 극복하는 데 사용되고 있다. 자동차를 타고 캘리포니아에서 뉴욕으로 가려면 휘발유를 가득 채워야 하지만, 마찰이 없다면 거의 공짜로 갈 수 있다. 즉, 문명이 고도로 발달하면, 지금보다 훨씬 어려운 일은 적은 에너지로 수행할 수 있다.
6. 오메가 포인트(Omega Point)
프랑스의 종교 철학자 '피에르 테야르 드 샤르댕(Pierre Teilhard de Chardin, 1881~1955)'은 우주의 진화가 최대로 이루어지는 지점을 뜻하는 용어로 '오메가 포인트(Omega Point)'라는 개념을 주장하였다. 이 용어는 철학적인 개념으로만 남아있다가 20세기 후반에 물리학자 '프랭크 J 티플러(Frank Jennings Tipler, 1947~)'에 의해 물리학 가설로 재탄생하게 되었다.
'오메가 포인트(Omega Point)'는 '다중우주(Multiverse)'를 넘어 문명이 궁극적인 지점에 도달하면, 모든 우주는 하나의 전지전능한 슈퍼컴퓨터가 되어 과거에 있던 모든 사건과 존재들을 부활시킬 수 있을 것이라는 가설이다. 이 가설은 타 과학자들에게 유사과학이라고 비판을 많이 받기도 했지만, 완전히 터무니 없는 소리는 아닐지도 모른다. '양자역학(Quantum Mechanics)'에 의하면, 한 번 생성된 정보는 영원히 사라지지 않기 때문이다.