사고실험 노트

1. 거울방에는 더 많은 빛이 존재하는가?

평범한 방과 사방이 거울로 둘러싸인 방에 똑같은 촛불을 하나씩 켠다고 가정했다. 두 촛불의 밝기가 같다면 일정한 시간 동안 방출하는 빛의 에너지도 같다. 그런데 어느 순간 두 방 안에 존재하는 빛의 총량을 비교하면 차이가 생길 수 있다.

일반적인 벽은 빛의 일부를 반사하고 상당 부분을 흡수한다. 흡수된 빛의 에너지는 벽을 구성하는 물질의 내부에너지로 전환된다. 반사율이 높은 거울은 빛을 여러 차례 되돌려 보내므로 광자가 방 안에 머무는 평균 시간이 길어진다. 따라서 같은 양의 빛을 방출하더라도 거울방에는 어느 순간 더 많은 빛 에너지가 존재할 수 있다. 여기서 두 가지 양을 구별하게 되었다. 하나는 촛불이 일정한 시간 동안 만들어내는 빛의 에너지이고, 다른 하나는 특정한 순간에 방 안에 존재하는 빛의 에너지다. 후자는 빛이 만들어지는 속도와 방 안에 머무는 시간에 영향을 받는다.

이 차이를 이해한 뒤 빛을 오래 보존할 수 있는 공간에 관심이 생겼다. 빛의 손실을 줄이면 같은 에너지원으로도 공간 안에 많은 빛을 축적할 수 있을 것이다. 그리고 빛을 완벽하게 가둘 수 있다면 어떤 일이 일어날지 궁금해졌다.

2. 빛을 완벽하게 가두면 어떻게 되는가?

다음에는 벽이 빛을 전혀 흡수하지 않고, 외부로 빠져나가는 통로도 없는 이상적인 방을 떠올렸다. 그 안에서 촛불이 계속 빛을 방출한다면 새로 유입된 에너지가 방 안에 누적된다. 손실이 없는 조건에서는 촛불이 켜져 있는 시간이 길어질수록 축적된 빛의 에너지도 증가한다.

현실에서 완전한 반사벽을 만드는 일은 어렵다. 실제 거울은 일부 파장의 빛을 흡수하거나 투과시킨다. 방 안의 공기와 촛불 역시 빛과 상호작용한다. 실제 광학 공동에서는 이런 손실 때문에 빛이 얼마나 오래 머무는지를 나타내는 수명과 품질계수를 사용한다.

사고실험에서는 이러한 손실을 모두 제거한 극단적인 조건을 가정했다. 그렇게 하면 에너지를 생산하는 문제에서 에너지를 보존하는 문제로 관심을 옮길 수 있었다. 처음에는 물질로 만든 완벽한 거울방을 떠올렸다. 이후에는 공간 자체가 에너지를 가두는 경계가 될 수 있는지 상상해 보았다. 이 구상이 나중에 소설에 등장하는 에너지 저장공간의 출발점이 되었다.

3. 광자 하나는 영원히 존재할 수 있는가?

빛을 가두는 방법을 생각하다 보니 광자 하나의 운명도 궁금해졌다. 광자가 밀폐된 공간에서 영원히 반사된다면 그 광자는 계속 존재한다고 말할 수 있을까. 여기서는 빛이 벽을 통과하지 못하는 상황과 벽에 흡수되지 않는 상황을 구별해야 했다. 빛이 벽을 통과하지 못하더라도 벽을 이루는 원자나 전자에 흡수될 수 있다. 그 에너지는 물질을 가열하거나 다른 내부 상태를 만드는 데 사용된다. 나중에 벽이 다시 빛을 방출할 수 있지만, 그 과정은 새로운 광자의 방출로 설명된다.

광자는 전자기장의 양자화된 들뜸이다. 이러한 성질을 고려하면 광자 하나를 일정한 모양을 유지하는 작은 물체처럼 상상하는 데에는 한계가 있다. 이상적인 완전 반사 공동에서는 외부와의 상호작용이 없고 벽도 정지해 있다는 조건 아래 한 광자 상태를 계속 유지하는 상황을 가정할 수 있다. 이런 사고실험은 에너지의 보존과 광자의 물리적 상태를 구별하는 데 도움이 되었다.

이때부터 저장공간에 관한 관심도 달라졌다. 개별 광자를 원래 모습 그대로 오랫동안 보관하는 것보다, 빛이 가지고 있는 에너지와 그것이 이루는 물리적 상태를 어떻게 유지할 것인가가 더 중요한 문제가 되었다.

4. 광자에게는 시간이 흐르지 않는가?

광자의 수명을 생각하면서 상대성이론의 시간 개념을 살펴보았다. 흔히 광자에게는 시간이 흐르지 않는다고 말한다. 이 표현이 무엇을 의미하는지 확인할 필요가 있었다.

질량이 있는 물체는 자신과 함께 움직이는 기준계를 가질 수 있다. 우주선에 탄 사람이 손목시계로 측정하는 시간이 그 예다. 상대성이론에서는 이를 고유시간이라고 한다. 광자는 진공에서 빛의 속도로 이동하므로 광자와 함께 움직이는 정상적인 관성계를 정의할 수 없다. 광자가 지나가는 빛의 경로에서는 고유시간 간격이 0이지만, 이를 광자가 출발과 도착을 동시에 경험한다는 뜻으로 해석할 수는 없다.

이 검토를 통해 빛의 이동시간과 빛을 바라보는 관측자의 시간을 구별하게 되었다. 또한 저장공간을 설정할 때 외부에서 흐르는 시간과 그 공간 내부의 시간을 별도로 검토해야 한다는 문제도 생겼다. 시간에 관한 이 질문은 한동안 독립된 문제로 남아 있었다. 이후 미래의 행위가 과거의 은하에 영향을 미치는 구조를 생각하면서 다시 중요해졌다.

5. 에너지가 보존되는데도 문명은 고갈될 수 있는가?

빛을 오랫동안 저장한다는 발상은 에너지 자체의 성질을 검토하는 문제로 이어졌다. 에너지는 다양한 형태로 전환된다. 연료의 화학에너지는 운동과 열로 바뀌고, 별의 핵융합에서는 질량 일부가 복사에너지 등으로 전환된다. 빛이 물질에 흡수되면 그 에너지는 물질의 내부 상태를 변화시킨다.

여기서 중요한 것은 에너지의 총량과 실제로 사용할 수 있는 에너지의 차이였다. 온도가 높은 물체와 낮은 물체 사이에는 열이 이동한다. 그 차이를 이용하면 일을 할 수 있다. 두 물체가 열평형에 가까워질수록 같은 방식으로 일을 할 수 있는 능력은 줄어든다. 에너지가 존재하더라도 그것을 이용하려면 적절한 온도 차이와 밀도 차이, 물질의 배치 등이 필요하다.

이 문제를 이해하기 위해 엔트로피와 가용에너지의 개념을 살펴보았다. 처음에는 에너지를 얼마나 많이 확보하는지가 중요하다고 생각했지만, 검토가 진행되면서 그 에너지를 어떤 형태로 보존하느냐가 더 중요한 문제가 되었다.

이 사고는 소설 속 은하 문명의 쇠퇴와 연결되었다. 은하 문명이 오랫동안 막대한 에너지를 사용한다면 에너지의 총량보다 집중된 에너지원과 그것을 이용할 수 있는 조건이 점차 줄어드는 상황을 상상할 수 있었다.

6. 은하 전체를 사용하는 문명은 무엇을 소비하는가?

이제 사고실험의 규모를 방 하나에서 은하 전체로 넓혔다. 인류가 수많은 항성계에 정착하고 웜홀망을 이용하는 문명을 건설했다면 에너지 사용 방식도 현재와 크게 다를 것이다. 별 주위에 대규모 에너지 수집시설을 설치하고, 별의 물질을 채굴하며, 블랙홀의 회전에너지를 추출하고, 거대한 계산시설을 운영할 수 있다.

이런 문명이 오랜 시간 성장하면 어떤 문제가 생길까. 처음에는 은하 전체가 인간의 에너지 소비 때문에 뜨거워지는 상황을 생각했다. 그러나 은하는 지구처럼 대기로 둘러싸인 공간이 아니다. 문명이 방출한 폐열은 전자기복사의 형태로 은하 밖으로 퍼져나갈 수 있다.

그래서 은하 문명이 항성의 연료를 자연적인 진화보다 빠르게 소모하고, 새로운 별을 만들 수 있는 성간가스를 회수하며, 블랙홀에 저장된 에너지까지 이용한다는 방향으로 생각을 바꾸었다. 이 과정에서 문명은 생활을 유지하는 데 필요한 에너지를 얻는다. 동시에 장기적으로 사용할 수 있는 에너지원의 분포를 바꾸고, 집중되어 있던 에너지를 회수하기 어려운 형태로 주변 공간에 방출한다.

소설 속 은하 문명은 이러한 변화의 원인을 처음에는 통상적인 환경문제와 자원 고갈에서 찾는다. 항성의 사용량을 줄이고, 에너지 소비를 제한하며, 블랙홀의 채굴을 금지하는 정책을 생각할 수 있다. 이 설정은 문명이 스스로 만들어낸 문제를 기술과 행정제도로 해결하려는 과정에 관한 이야기로 발전했다. 문명이 소비를 줄이더라도 이미 진행된 물리적 변화의 일부는 되돌리기 어려울 수 있다는 점도 함께 검토하게 되었다.

7. 에너지를 저장하면 시간이 지날수록 가치가 커지는가?

에너지를 오랫동안 저장하는 발상을 검토하면서 일종의 우주적 복리적금을 상상한 적이 있다. 먼 미래를 위해 에너지를 조금씩 모아두면 어떤 이익이 생길까. 경제에서 복리란 축적된 자산이 다시 수익을 만들어 자산의 증가 속도가 빨라지는 현상을 말한다. 에너지를 저장하는 과정에도 비슷한 개념을 적용할 수 있을지 고민했다.

물리학적으로 에너지는 저장했다는 이유만으로 증가하지 않는다. 따라서 에너지 자체에 복리가 적용되는 구상은 수정해야 했다. 대신 에너지를 수집하는 장치가 수집 능력을 확대하는 데 사용될 수 있다고 생각했다. 하나의 수집기가 확보한 에너지로 새로운 수집기를 건설하고, 그 수집기들이 다시 다른 수집기를 만들면 수집망의 규모가 빠르게 커질 수 있다. 저장된 에너지의 상대적 가치 역시 시간에 따라 달라질 수 있다. 별과 가스가 풍부한 시대에 모아둔 에너지는 대부분의 별이 사라진 먼 미래에 훨씬 귀중한 자원이 될 것이다.

이 검토를 통해 소설 속 저장공간의 기능도 조금 달라졌다. 저장량을 늘리는 문제와 저장된 에너지를 오랫동안 이용 가능한 상태로 유지하는 문제를 함께 생각하게 되었다.

8. 빛을 작은 공간에 모으면 어떤 문제가 생기는가?

여기서 오래전에 보았던 영화 《맨 인 블랙》의 한 장면이 다시 떠올랐다. 고양이 목걸이에 달린 작은 구슬 안에 은하가 들어 있는 장면이었다. 처음 그 장면을 보았을 때에는 작은 물체 안에 거대한 세계가 존재한다는 이미지 자체가 흥미로웠다.

거울방 사고실험을 거친 뒤에는 그 이미지를 물리적인 문제로 검토하게 되었다. 빛은 정지질량을 가진 물체와 성질이 다르지만 에너지와 운동량을 가진다. 밀폐된 상자 안에 빛을 추가하면 상자와 그 안의 내용물을 합친 계의 질량에너지도 증가한다. 빛은 벽에 운동량을 전달하므로 내부의 복사압도 커진다.

저장하려는 에너지의 규모가 커질수록 중력과 압력의 문제도 심각해진다. 에너지를 지나치게 작은 공간에 집중시키면 블랙홀 형성과 관련된 조건까지 고려해야 한다. 그러자 작은 구슬 안에 은하의 에너지를 직접 압축해 넣는 구상에 문제가 생겼다.

이 문제를 해결하기 위해 구슬과 저장공간의 관계를 바꾸었다. 외부에서 보이는 작은 물체는 거대한 저장공간과 연결된 입구로 사용하고, 실제 에너지는 별도의 넓은 시공간에 보관하는 방식이다. 일반상대성이론에서는 좁은 입구와 넓은 내부 공간이 연결되는 특수한 기하학적 모형이 연구된 적이 있다. 그러한 구조를 실제로 제작하고 안정적으로 유지할 수 있는지는 확인되지 않았다. 소설에서는 이론적으로 상상할 수 있는 시공간 구조를 바탕으로 필요한 기술적 가정을 추가하기로 했다. 이렇게 해서 처음의 구슬은 새로운 역할을 갖게 되었다.

9. 에너지를 저장하는 별도의 시공간은 어떤 모습이어야 하는가?

구슬을 입구로 사용하는 구상은 저장공간의 내부 구조에 관한 질문으로 이어졌다. 우선 저장공간의 부피를 충분히 크게 설정할 필요가 있었다. 또한 내부에 저장된 에너지의 중력과 압력을 어떻게 다룰 것인지 생각해야 했다.

처음에는 시간이 흐르지 않는 공간을 상상했다. 외부에서 아무리 오랜 세월이 지나도 내부의 에너지가 변하지 않는다면 이상적인 저장고가 될 것 같았다. 그러나 시간이 전혀 없는 공간에서는 에너지가 들어오거나 내부 상태가 변화하는 과정도 정의하기 어렵다. 에너지의 축적에는 사건의 전후관계가 필요하다.

그래서 저장공간에 독립적인 시간이 존재하도록 설정을 바꾸었다. 외부 우주와 서로 다른 시간의 흐름을 가지거나, 외부와의 연결이 닫힌 뒤 독립적인 우주사가 진행되는 구조를 상상했다. 이 과정에서 자식 우주라는 개념을 검토하게 되었다. 기존 우주의 시공간과 좁은 통로로 연결되어 에너지와 정보를 전달받다가, 일정한 조건에 도달하면 독립적인 팽창을 시작하는 새로운 시공간이다. 자식 우주의 형성과 안정적인 연결은 현재의 물리학에서 확인된 기술이 아니다. 이론적인 가능성을 연구하는 여러 모형이 존재하며, 소설에서는 그 가운데 일부 발상을 확장해 사용했다.

또한 저장공간 내부의 시간과 중력장이 외부와 다르다면 광자가 이동하는 동안 에너지의 측정값도 달라질 수 있다는 문제를 살펴보았다. 저장된 에너지의 일부가 내부 공간의 팽창에 기여한다는 가설도 여기서 나왔다. 그 결과 저장공간은 단순히 빛을 모아두는 창고에서 독립적인 물리적 조건을 갖춘 공간으로 발전했다.

10. 새로운 우주를 시작하려면 무엇을 저장해야 하는가?

저장공간을 새로운 우주의 초기상태로 활용할 수 있을지 생각하면서 저장 대상에 관한 문제가 생겼다. 빛의 에너지를 한곳에 모으는 것만으로 새로운 우주에서 별과 행성, 복잡한 물질 구조가 만들어진다고 보장할 수 있을까. 에너지의 총량이 충분하더라도 그 에너지가 열평형에 가까운 상태로 분포한다면 이용 가능한 차이가 부족할 수 있다. 별과 행성이 형성되려면 물질의 밀도 차이와 운동, 중력적인 불안정성 등 여러 조건이 필요하다.

그래서 저장공간에는 에너지 외에도 물질의 구성과 분포, 온도 차이, 초기의 밀도 요동과 같은 조건이 필요하다고 구상했다. 이 단계에서 저장공간의 목적이 다시 바뀌었다. 미래에 사용할 에너지를 오래 보관하는 구상에서 새로운 우주의 초기조건을 마련하는 구상으로 발전한 것이다.

이렇게 생각하면 미래 과학자는 별빛만 수집할 이유가 없다. 별과 성간가스, 기본입자, 블랙홀에 남아 있는 에너지까지 확보하려 할 수 있다. 그 과정에서 현재 은하가 어떤 영향을 받는지도 생각해야 했다. 과학자가 자신에게 필요한 에너지와 물질을 회수할수록 기존 우주에서 별과 새로운 천체를 형성할 수 있는 조건은 약해질 수 있다. 새 우주의 초기조건을 마련하는 문제가 기존 은하의 멸망과 연결되기 시작한 지점이었다.

11. 블랙홀까지 수집할 수 있는가?

은하의 에너지 저장원을 검토하다가 블랙홀에 관심을 갖게 되었다. 블랙홀은 막대한 질량에너지를 가지고 있다. 회전하는 블랙홀에서는 이론적으로 회전에너지의 일부를 추출할 수 있다. 블랙홀은 호킹복사를 통해 매우 오랜 시간에 걸쳐 에너지를 잃는 것으로 이해되지만, 거대한 블랙홀이 자연적으로 사라지는 데에는 극도로 긴 시간이 필요하다. 따라서 별들이 대부분 소진된 먼 미래에도 블랙홀은 중요한 에너지 자원으로 남아 있을 수 있다.

처음에는 블랙홀을 저장공간 안으로 붕괴시키는 모습을 상상했다. 그러나 블랙홀 자체가 이미 중력붕괴로 형성된 천체라는 점을 고려하면서 이 표현을 수정할 필요가 있었다. 이후에는 블랙홀의 회전이 감소하고, 질량과 사건의 지평선이 비정상적인 속도로 변화하며, 주변 천체의 궤도까지 영향을 받는 상황을 생각했다. 이러한 변화가 일반적인 호킹복사와 구별된다면 은하의 과학자들은 다른 물리적 원인을 찾아야 할 것이다.

소설에서 처음 관측되는 현상은 광자의 결손이다. 시간이 지나면서 별과 블랙홀까지 비정상적인 변화를 겪는다면 관측자들은 은하의 여러 에너지원이 체계적으로 감소하고 있다는 가능성을 검토하게 된다. 이것은 사건의 규모를 확대하는 동시에, 은하 문명이 원인을 추적하는 방식에도 변화를 주는 설정이었다.

12. 광자 결손은 은하 전체에서 언제 시작되는가?

이제 광자 결손이 은하의 여러 지역에서 나타나는 시점을 생각해야 했다. 처음에는 은하 전체의 관측소가 같은 날 같은 시각에 결손을 발견하도록 설정할 수 있을 것 같았다. 그러나 상대성이론에서는 멀리 떨어진 사건의 동시성을 정의할 때 기준계와 신호의 전달시간을 고려해야 한다.

은하의 행성들은 서로 다른 속도로 운동하고, 중력환경도 다르다. 웜홀망으로 연결되어 있다고 하더라도 각 지역에서 사용하는 시계와 달력이 자동으로 일치하는 것은 아니다. 그래서 모든 관측소에 하나의 날짜를 지정하는 방법을 다시 생각했다.

우주론에서는 우주의 팽창과 관련된 물리량을 이용해 우주의 시대를 나타낼 수 있다. 예를 들어 우주배경복사의 평균온도와 팽창의 정도는 우주가 어떻게 변화해 왔는지 연구하는 데 사용된다. 이를 바탕으로 특정한 날짜 대신 우주가 일정한 물리적 상태에 도달하는 조건을 검토했다. 은하의 각 지역에 있는 장치가 동일한 우주론적 조건을 기준으로 작동한다는 설정이다.

각 관측소의 기록을 비교할 때에는 지역마다 다른 운동과 중력환경, 신호가 전달된 시간 등을 보정해야 한다. 이러한 과정을 거쳐 결손의 시작 시점이 하나의 우주론적 경계와 관련되어 있다는 사실을 발견하도록 방향을 잡았다. 이 설정은 《은하 멸망 사전》의 광자 결손과 은하표준시를 구상하는 과정에서도 중요한 역할을 했다. 은하 문명이 서로 다른 시간체계의 기록을 어떻게 비교하고 사건의 순서를 확정하는지 생각할 필요가 있었기 때문이다.

13. 미래에서 과거의 은하에 영향을 미칠 수 있는가?

광자 결손의 원인을 생각하면서 더욱 어려운 문제가 나타났다. 먼 미래의 과학자가 새로운 우주를 만들기 위해 에너지를 수집한다면, 그 수집이 과거 은하에서 이미 관측되고 있는 광자 결손과 어떻게 연결될 수 있을까.

처음에는 과학자가 시간을 거슬러 올라가 과거에 에너지 수집장치를 설치하는 방식을 설정했다. 그러나 통과 가능한 웜홀이 존재한다고 가정하더라도 과거의 원하는 시점으로 자유롭게 이동하는 일에는 여러 제약이 따른다. 웜홀의 두 입구 사이에 시간차를 만드는 방법은 이론적으로 논의되어 왔지만, 아직 존재하지 않았던 웜홀을 마음대로 과거에 설치할 수 있다고 보장하는 것은 아니다.

그래서 과거에 새로운 통로를 만드는 설정을 재구성했다. 여기서 은하 문명이 이미 사용하고 있는 웜홀망에 주목하게 되었다. 수많은 항성계와 거주지를 연결한 교통망이 오래전부터 존재한다면 미래의 과학자는 그 통로를 활용할 수 있을 것이다. 이 방법을 사용하면 미래의 과학자가 처음부터 모든 수집구를 만들어 과거로 보내는 과정을 설정할 필요가 줄어든다. 그는 기존 통로의 연결 관계를 바꾸거나, 특정한 목적지로 이어지도록 조정하는 기술을 개발한 인물이 된다.

물론 미래의 행위가 과거에 존재한 웜홀의 작동에 영향을 미칠 수 있다는 가정 자체는 여전히 소설의 허구적 기술에 속한다. 이 문제를 해결하기 위해 시간과 인과관계에 관한 다른 가설도 따져보았다.

14. 이미 만들어진 웜홀망을 다시 연결한다면?

은하의 웜홀망을 활용한다는 발상은 소설의 시간구조를 크게 바꾸었다. 과거 인류는 은하의 여러 지역에 거주지를 세우면서 항성계 사이를 연결하는 웜홀망을 구축했다. 이 통로는 사람과 물자의 이동, 통신, 행정, 경제활동을 가능하게 하는 문명의 기반시설이 되었다. 그로부터 오랜 세월이 흐른 뒤 미래의 과학자는 새로운 저장공간을 준비한다. 그는 과거부터 존재해 온 웜홀망을 이용해 저장공간으로 에너지가 이동할 수 있는 구조를 만든다.

여기서 두 가지 구상을 검토했다. 하나는 기존 웜홀의 입구들이 새로운 저장공간으로 연결되도록 만드는 방식이고, 다른 하나는 과거와 미래를 포함한 시공간 전체의 경계조건에 이러한 연결이 포함되는 방식이다. 후자의 구상을 이해하기 위해 블록 우주라는 개념을 살펴보았다. 상대성이론의 시공간을 하나의 전체 구조로 생각하면 과거와 미래의 사건들이 하나의 역사 안에 놓여 있다고 해석할 수 있다.

이 해석 자체가 미래의 과학자에게 과거를 조작할 능력을 부여하는 것은 아니다. 소설에서는 기존 웜홀망과 저장공간 사이의 연결을 완성된 시공간 구조 안에서 성립시키는 기술을 추가로 가정했다. 이러한 구상에 따르면 과거 은하에서 발생한 광자 결손은 미래의 저장공간과 이미 연결되어 있던 통로 때문에 일어난다. 과거의 관측자들은 그 통로가 어디로 이어지는지 알지 못한다. 은하를 번영시킨 교통망이 오랜 시간이 흐른 뒤 에너지 수집에 이용된다는 설정도 이 과정에서 만들어졌다.

15. 노아의 역할은 어떻게 바뀌었는가?

시간과 웜홀망의 구조를 검토하면서 노아 카인의 역할도 달라졌다. 초기의 구상에서는 노아가 과거 은하에서 관측된 광자 결손의 직접적인 원인이 되는 인물이었다. 먼 미래에 도달한 노아가 에너지를 수집하기 위한 장치를 만들고, 그 장치가 과거 은하의 빛을 사라지게 하는 사건을 일으키는 방식이었다.

이 구상을 검토하면서 노아가 과거에 존재하지 않았던 장치들을 어떻게 설치하는지, 그 장치들이 어떤 시점부터 작동할 수 있는지, 광자 결손이 시작된 시대와 노아가 살아 있는 시대를 어떻게 연결할지 생각해야 했다. 기존 웜홀망을 활용하는 설정이 등장하면서 노아의 역할을 수정할 수 있었다. 노아는 은하의 과거에 새로운 수집구를 직접 설치하는 인물에서, 이미 존재하는 통로와 에너지 저장공간을 연결하는 인물로 바뀌었다. 그가 수행하는 작업의 중심은 저장공간의 준비와 연결 관계의 완성에 놓이게 되었다.

이 변화는 노아의 행동이 갖는 의미에도 영향을 미쳤다. 소설 속 과거의 은하는 이미 광자 결손을 겪고 있으며, 그 원인에 관한 기록과 가설들이 축적되어 있다. 노아는 먼 미래에 그 현상과 연결된 구조를 완성한다. 이 과정에서 한 사람의 행동과 오랜 시간에 걸친 문명의 역사가 어떻게 연결되는지 다시 생각하게 되었다. 노아의 역할은 줄어든 것이 아니라, 과거와 미래를 하나의 구조로 연결하는 방향으로 변했다. 이러한 변화는 소설의 결말을 구상하는 데에도 영향을 주었다. 처음의 아이디어에서 출발한 설정이 물리적 검토를 거쳐 다른 역할을 맡게 된 사례다.

16. 미래의 행위가 과거에 영향을 미치면 인과율은 어떻게 되는가?

노아의 행동이 과거 은하의 현상과 연결된다는 설정에는 시간여행의 역설이 뒤따른다. 먼 미래의 과학자가 과거의 은하에서 에너지를 수집해 문명을 멸망시킨다면, 그 과학자가 태어나고 연구할 수 있는 역사 자체가 사라질 가능성이 생긴다. 그렇게 되면 장치가 만들어지는 원인과 그 장치가 만들어낸 결과 사이에 모순이 생긴다. 이 문제를 해결하기 위해 몇 가지 방법을 비교했다.

첫 번째는 과거가 바뀔 때마다 새로운 우주의 갈래가 생기는 방식이다. 미래의 과학자는 자신이 살아온 역사와 다른 갈래의 은하에 영향을 미친다. 이 경우 시간여행의 모순을 피할 수 있지만, 원래 구상했던 동일한 은하의 과거와 미래 사이의 관계가 달라진다.

두 번째는 과거와 미래가 반복해서 변경되는 방식이다. 이런 설정에서는 역사가 바뀔 때마다 사건의 결과도 새롭게 달라진다. 소설의 원인과 결과를 끝까지 추적하려면 변화의 규칙을 추가로 설계해야 한다.

세 번째는 자기일관성을 유지하는 방식이다. 미래의 과학자가 장치를 만든 사건과 과거에 광자 결손이 나타난 사건이 처음부터 같은 역사에 포함되어 있다고 가정한다. 그러면 과거에 발생한 결손에도 불구하고 과학자가 태어나는 데 필요한 역사는 계속 유지되어야 한다.

이 가운데 자기일관성을 유지하는 구상이 소설의 시간구조에 적합하다고 판단했다. 일반상대성이론에서는 특수한 시공간 구조와 시간여행의 가능성이 이론적으로 연구되어 왔다. 노비코프의 자기일관성 원리와 호킹의 연대기 보호 가설 등은 이러한 문제를 이해하기 위해 검토한 개념들이었다.

소설에서는 자기일관적인 역사를 허용하는 방향으로 가설을 정리했다. 이 방법을 사용하면 노아의 행동을 과거 사건과 연결하면서도 사건이 반복해서 변경되는 복잡한 시간구조를 피할 수 있다.

17. 통과 가능한 웜홀은 어떻게 유지되는가?

기존 웜홀망을 활용한다는 설정을 채택한 뒤에는 웜홀 자체의 물리적 조건도 검토해야 했다. 일반상대성이론에는 서로 다른 시공간 영역을 연결하는 특수한 기하학적 해가 존재한다. 사람이 통과할 수 있는 웜홀을 안정적으로 유지하려면 일반적인 물질과 다른 에너지 조건이 필요할 수 있다는 연구도 있다.

양자장론에서는 제한적인 상황에서 음의 에너지밀도와 관련된 효과가 논의된다. 그러나 거대한 웜홀망을 실제로 만들고 유지할 수 있는 방법은 밝혀지지 않았다. 시간차가 있는 웜홀의 경우에는 양자효과와 시공간의 반작용이 통로의 안정성을 해칠 가능성도 검토되어 왔다.

이 문제를 생각하면서 소설 속 은하 문명이 웜홀을 어떻게 다루는지 몇 가지 규칙이 필요하다는 결론에 도달했다. 웜홀을 자연적으로 발견했는지, 인간이 제작했는지, 어떤 에너지를 사용해 유지하는지, 통로가 닫히거나 연결 대상이 바뀌는 조건은 무엇인지 정해야 한다. 특히 노아가 저장공간을 연결할 때 기존의 교통망이 어떤 영향을 받는지는 중요한 설정이다.

이러한 검토를 통해 웜홀은 단순한 초장거리 이동수단에서 소설의 시간구조와 에너지 결손을 연결하는 장치로 발전했다.

18. 우리 우주에서 에너지가 사라졌다면 에너지 보존은 어떻게 되는가?

광자 결손과 저장공간의 연결을 검토하면서 에너지 보존에 관한 질문으로 다시 돌아왔다. 은하의 관측자들이 어떤 별에서 방출된 빛의 양을 계산했는데 실제 관측된 빛이 예상보다 적다고 가정해 보자. 그 사이에 빛을 흡수한 물질이나 산란시킨 천체가 발견되지 않는다면 관측자들은 부족한 에너지의 행방을 조사해야 한다.

처음에는 알려지지 않은 물질이나 새로운 물리적 상호작용을 생각할 수 있다. 관측장비의 오류, 중력렌즈 효과, 전파 경로의 문제 등도 검토 대상이 될 것이다. 그런데 은하의 여러 지역에서 비슷한 결손이 관측되고, 그 양이 일정한 규칙에 따라 증가한다면 기존의 설명만으로는 현상을 이해하기 어려워진다.

이때 소설 속 과학자들은 에너지 보존법칙의 적용 범위를 의심하게 된다. 일반상대성이론에서는 에너지와 운동량의 국소적인 보존이 중요한 원칙이다. 한편 팽창하는 우주 전체의 에너지를 하나의 숫자로 정의하고 보존 여부를 논의하는 문제는 훨씬 복잡하다. 우주 전체에 공통된 시간대칭이 존재하지 않는 경우에는 전역적인 에너지 보존량을 정의하는 데 제약이 생긴다.

소설의 설정에서는 은하에서 관측되지 않는 에너지가 다른 시공간으로 이동하는 상황을 가정했다. 우리 우주와 저장공간, 그리고 그 사이의 연결 구조를 함께 고려해야 에너지의 이동을 추적할 수 있게 되는 것이다. 이 구상은 광자 결손을 설명하는 방식에 변화를 주었다. 처음에는 에너지가 실제로 소멸하는 현상을 생각했지만, 저장공간이라는 설정이 등장하면서 관측 가능한 영역 밖으로 에너지가 이동하는 현상으로 발전했다.

19. 미래의 과학자는 어떤 에너지를 수집하는가?

저장공간과 은하의 연결을 정리하면서 수집 대상도 단계적으로 설계했다. 처음에는 별들이 방출하는 광자를 수집한다. 관측자들은 예상보다 적은 별빛이 도착하는 현상을 발견하고 원인을 조사한다. 처음에는 장비나 관측방법의 문제로 여겨질 수 있다.

이후에는 별과 성간물질, 다른 천체의 에너지까지 수집하는 구상을 생각했다. 에너지를 회수하는 과정이 확대되면 은하의 물질 분포와 천체의 운동도 변할 수 있다. 블랙홀에 저장된 에너지가 비정상적인 속도로 줄어드는 현상은 이러한 변화의 후기 단계에 배치할 수 있다.

마지막 단계에서는 새로운 우주를 시작하는 데 필요한 초기조건을 준비한다. 여기에는 에너지와 물질의 총량뿐 아니라 그것들이 어떤 상태로 배열되어 있는지도 중요하다.

과학자가 저장공간을 충분히 확장하고 내부의 조건을 조절할 수 있다고 가정하면, 그곳에서 독립적인 우주의 팽창이 시작되는 상황을 상상할 수 있다. 빅뱅은 기존 공간 안에서 물질이 폭발하는 사건으로 이해하기보다 뜨겁고 밀도 높은 초기상태에서 공간 자체가 팽창하는 우주의 역사와 관련된다. 따라서 소설에서도 새로운 우주가 기존의 공간 속에서 폭발하는 모습보다, 별도의 시공간이 자신의 초기조건에 따라 팽창을 시작하는 구조를 설정했다. 이 단계에 이르러 저장공간의 목적은 장기간의 에너지 보존에서 새로운 우주의 형성으로 발전했다.

20. 새로운 우주에 생명이 다시 나타날 수 있는가?

새로운 우주가 형성된다고 가정한 뒤에는 그곳에 생명이 출현할 가능성을 검토했다. 우주에 충분한 에너지와 물질이 존재하더라도 복잡한 화학구조가 반드시 만들어지는 것은 아니다. 안정적인 기본입자와 원자, 다양한 화학결합, 오랫동안 유지되는 에너지원, 물질의 순환과 진화가 가능한 환경 등이 필요할 수 있다.

새로운 우주에서 물리상수가 기존 우주와 같을지도 알 수 없다. 안정적인 원자가 만들어지지 않거나 별이 충분히 오래 존재하지 못할 수도 있다. 따라서 미래 과학자가 새로운 우주를 만들었다고 해서 그곳에서 생명이 반드시 출현한다고 설정할 근거는 부족했다. 이 검토는 과학자가 무엇을 목적으로 행동하는지 다시 생각하게 만들었다. 그가 인간의 생존을 원한다면 인간의 DNA나 기억, 문명의 기록을 저장하는 방법을 선택할 수 있다. 은하 문명이 발전한 시대라면 생물학적 정보를 보존하고 새로운 몸을 배양하는 기술도 충분히 상상할 수 있다.

그런데 과학자가 인간이라는 종을 보존하는 데 관심이 없다면 선택은 달라진다. 그는 특정한 생명체의 복원보다 새로운 우주에서 생명이 다시 발생할 수 있는 물리적 조건을 마련하려 할 수 있다. 이 구상은 과학자의 행동에 관한 윤리적 문제를 불러왔다. 새 우주에서 생명이 발생할 가능성은 불확실한 반면, 에너지를 수집당하는 현재의 은하에는 실제로 살아 있는 생명들이 존재하기 때문이다.

21. 현재의 생명과 미래의 가능성을 어떻게 비교할 것인가?

이제 질문의 중심이 물리학에서 윤리학으로 이동했다. 먼 미래의 과학자는 현재 우주의 에너지 자원이 계속 감소하고, 문명의 생존 가능성도 줄어들고 있다고 판단한다. 그는 기존 문명을 복원하기보다 새로운 우주에서 생명이 발생할 수 있는 조건을 마련하는 방법을 선택한다.

여기서 과학자가 어떤 종류의 인간인지 생각해야 했다. 자신의 생존이나 명예를 위해 행동하는 인물이라면 그의 목적과 수단을 비교적 쉽게 설명할 수 있다. 그런데 자신의 죽음까지 받아들이면서 새로운 우주의 탄생을 추진한다면 행동의 동기는 달라진다. 그는 현재의 생명들이 살아갈 수 있는 시간과 아직 존재하지 않는 미래 생명의 가능성을 비교한다. 현재 우주가 결국 죽음에 도달한다고 판단하고, 새로운 우주에서 생명이 출현할 가능성을 확보하는 것이 더 가치 있다고 생각할 수 있다.

그러나 이러한 판단에는 아직 검증할 수 없는 가정들이 포함되어 있다. 새 우주가 실제로 만들어질지, 그곳에서 생명이 발생할지, 그 생명이 얼마나 오래 지속될지는 알 수 없다. 이 때문에 그의 결정은 커다란 윤리적 갈등을 일으킨다. 그는 미래의 생명을 위해 행동한다고 생각하지만, 그 선택은 현재 존재하는 수많은 생명의 생존조건을 파괴하는 결과를 가져온다.

이 문제를 생각하면서 선의를 가진 인물이 어떤 방식으로 타인의 삶을 결정할 수 있는지에 관심이 생겼다. 소설 전체에 등장하는 정치적·사회적 갈등과도 연결되는 문제였다.

22. 은하 문명은 자신의 멸망을 어떻게 이해하는가?

물리적 설정을 검토한 뒤에는 은하 문명의 사람들이 이러한 현상을 어떻게 받아들일지 주목했다. 처음에는 문명 자체의 에너지 소비가 문제의 원인이라고 판단할 수 있다. 별의 수명을 단축하고 성간물질을 과도하게 회수한 결과라고 생각한다면 에너지 사용을 제한하고 자원을 보존하는 정책을 시행할 것이다. 이러한 정책은 문명이 자신의 행동을 통해 문제를 해결할 수 있다는 기대를 전제로 한다.

그러나 광자 결손이 발견되고 원인을 설명하기 어려워지면 다른 해석들이 등장할 수 있다. 알 수 없는 자연현상이나 외계 문명의 개입, 기존의 물리학으로 설명할 수 없는 변화 등을 생각할 것이다. 사람들은 자신들이 문제의 원인이라고 믿기도 하고, 자신들에게 책임이 없는 자연적 변화라고 생각하기도 한다. 과학적 설명을 둘러싼 논쟁과 정치적 책임의 문제가 함께 나타날 수 있다.

먼 미래에 노아의 행동과 저장공간의 구조가 밝혀지면 이러한 판단은 다시 바뀐다. 현재 문명의 쇠퇴와 미래의 새로운 우주가 연결되어 있다는 가능성이 드러나기 때문이다. 이 구상은 문명이 위기를 이해하고 대응하는 과정을 여러 시대에 걸쳐 보여줄 수 있다는 생각으로 이어졌다. 같은 현상도 어느 시대에 어떤 정보를 가지고 있는가에 따라 전혀 다르게 해석될 수 있다.

23. 사건을 어떤 시간 순서로 배치할 것인가?

과학적 설정을 정리하면서 소설의 시간구조를 세 단계로 나누어 고민했다.

첫 번째는 인류가 은하의 여러 지역에 정착하고 웜홀망을 발전시키는 시대다. 문명은 항성 사이의 이동과 통신을 연결하고 막대한 에너지를 이용해 성장한다. 이후 저장공간과 연결될 기반시설이 이 시대에 형성된다.

두 번째는 은하의 여러 지역에서 광자 결손이 발견되고 문명이 그 원인을 조사하는 시대다. 처음에는 관측상의 문제로 여겨지던 현상이 점차 은하 전체의 위기로 확대된다. 사람들은 자연현상, 새로운 물리법칙, 외계 문명의 개입, 에너지 소비에 따른 환경변화 등 여러 가설을 제시한다.

세 번째는 훨씬 먼 미래에 노아가 등장하는 시대다. 은하의 에너지 자원이 대부분 소진되고 인류 문명도 사멸에 가까워진 상황에서 노아는 새로운 우주의 초기조건을 마련한다. 그리고 과거부터 존재하던 웜홀망과 저장공간을 연결하는 작업을 수행한다.

이 세 시대를 연결하면서 사건이 발생한 순서와 그 원인을 이해하게 되는 순서가 서로 다를 수 있다는 점에 관심을 갖게 되었다. 독자는 먼저 과거 은하의 광자 결손을 접한다. 그 현상의 원인을 알 수 있는 시대는 훨씬 뒤에 있다. 과거의 사람들은 자신들의 기록과 관측에 따라 행동하고, 미래의 사람들은 과거 사건에 대한 더 많은 정보를 가지고 판단한다.

이 구조는 문명 전체의 역사를 하나의 인물이 처음부터 끝까지 설명하기 어려운 이유이기도 했다. 각 시대의 관측자와 기록은 자신들이 알고 있는 범위 안에서 사건을 해석한다. 이러한 차이가 사전과 기록물의 형식을 이용해 이야기를 구성하는 데에도 영향을 주었다.

24. 어떤 부분이 물리학이고 어떤 부분이 소설의 가정인가?

사고실험이 복잡해질수록 물리학에서 알려진 사실과 소설을 위해 추가한 가정을 구별할 필요가 있었다. 광자가 에너지와 운동량을 가지고 있다는 사실, 빛의 에너지가 중력에 기여한다는 사실, 에너지의 이용 가능성이 열역학적 조건에 따라 달라진다는 사실은 확립된 물리학을 바탕으로 한다. 상대성이론에서 시간과 동시성을 다루는 방식, 블랙홀의 질량과 회전에너지, 우주의 팽창과 관련된 관측 역시 이러한 기초를 제공했다.

웜홀과 자식 우주는 다른 문제였다. 일반상대성이론과 양자중력 연구에서는 관련된 수학적 모형과 이론적 가능성을 검토하고 있다. 그러나 사람이 통과하는 웜홀이나 새로운 우주를 만들어 에너지를 저장하는 장치는 관측으로 확인된 기술이 아니다.

소설을 위해서는 여기서 몇 가지 가정을 추가해야 했다. 은하 전체를 연결하는 웜홀망이 실제로 존재하고, 먼 미래의 과학자가 그 연결 관계를 변경할 수 있으며, 새로운 시공간에 에너지와 물질을 전달해 독립적인 우주의 초기조건을 마련할 수 있다는 가정이다. 특히 미래의 행동이 과거의 웜홀망에 영향을 미치는 구조는 이 소설에서 설정한 기술적 가능성에 속한다. 자기일관적인 시간구조를 채택한다고 해도 그 기술이 실제로 가능한지는 별개의 문제다.

이러한 구분은 설정을 발전시키는 과정에서 도움이 되었다. 이미 알려진 물리법칙을 적용할 수 있는 부분에서는 그 조건을 검토하고, 설명이 어려운 부분에서는 필요한 가정을 명시하면서 이야기를 구성할 수 있었기 때문이다.

25. 소설의 형식은 어떻게 결정되었는가?

과학적 설정이 발전하면서 이야기를 어떤 형식으로 구성할지도 생각하게 되었다. 《은하 멸망 사전》에는 매우 긴 시간과 여러 문명, 서로 다른 시대의 인물들이 등장한다. 광자 결손이 발견되는 시대의 과학자는 먼 미래의 노아가 어떤 행동을 할지 알 수 없다. 정부와 언론, 시민조직과 종교단체는 같은 사건을 서로 다른 관점에서 해석한다. 한 사람의 경험을 따라가는 방식으로는 이처럼 넓은 시간과 공간에 흩어진 사건들을 다루기 어려울 수 있다고 생각했다.

오래전 읽었던 보르헤스와 밀로라드 파비치의 작품들이 이 문제를 생각하는 데 영향을 주었다. 문헌과 기록, 서로 다른 항목들을 통해 독자가 하나의 세계를 구성하도록 하는 형식에 관심이 있었기 때문이다. 그래서 소설을 사전 형식으로 구성하기로 했다. 사전에는 개별 사건의 정의, 인물의 기록, 과학적 개념, 행정제도와 문명사가 각각의 항목으로 등장한다. 독자는 이 항목들을 읽으면서 사건들 사이의 관계를 발견하고 시간에 따라 달라지는 해석을 비교할 수 있다.

이 형식은 과학적 사고실험의 발전 과정과도 연결되었다. 하나의 질문이 다음 질문으로 이어지듯, 하나의 항목이 다른 항목을 이해하는 데 필요한 정보를 제공할 수 있기 때문이다. 그렇게 사고실험의 구조가 소설의 구성 방식에도 영향을 미쳤다.

26. 촛불에서 시작한 질문은 어디까지 이어졌는가?

처음의 질문으로 돌아가 보면 평범한 방과 거울방에서 타는 촛불을 비교하는 일이었다. 같은 양의 빛을 내놓더라도 빛이 공간에 머무는 시간에 따라 방 안의 에너지가 달라질 수 있다는 사실에서 사고실험이 시작되었다. 그다음에는 빛을 완벽하게 가둘 수 있는지 생각했다. 광자의 성질과 에너지 보존을 검토했고, 많은 에너지를 좁은 공간에 모을 때 발생하는 중력과 압력의 문제를 살펴보았다. 작은 구슬에 거대한 에너지를 담으려던 구상은 다른 시공간으로 연결되는 입구라는 설정으로 발전했다.

새로운 저장공간을 생각하면서 그 내부의 시간과 에너지 상태, 별도의 우주가 형성될 가능성에 관심이 생겼다. 저장 대상도 빛에서 물질과 블랙홀, 새로운 우주를 시작하는 데 필요한 초기조건으로 확대되었다. 이후에는 미래의 과학자가 과거 은하의 에너지를 어떻게 수집할 수 있는지 따져보았다. 과거에 새로운 장치를 설치하는 구상에서 이미 존재하던 웜홀망을 활용하는 구상으로 바뀌었고, 그에 따라 노아의 역할도 수정되었다. 시간여행의 역설을 검토하면서 자기일관적인 역사를 채택하는 방향으로 설정을 정리했다.

마지막에는 새로운 우주에 생명이 발생할 수 있는지, 그 가능성을 위해 현재 존재하는 생명의 생존조건을 희생하는 행위를 어떻게 이해해야 하는지 생각하게 되었다. 물리학적 질문에서 출발한 사고실험이 인간의 선택과 문명의 운명에 관한 문제로 이어진 것이다.

이 과정에서 검토했던 여러 가설 가운데 일부는 소설에 반영되었고, 일부는 수정되거나 제외되었다. 남아 있는 설정들도 모두 확정된 과학적 사실을 의미하지는 않는다. 《은하 멸망 사전》의 세계는 이러한 질문과 가정을 바탕으로 구성되었다. 완성된 소설에는 사고실험의 모든 과정을 담을 필요가 없었다. 소설 속 인물들은 자신들이 살아가는 세계의 조건에 따라 행동하며, 사건의 원인과 결과를 각자의 방식으로 이해한다. 이 노트에는 그 세계가 만들어지기까지 어떤 질문들이 있었고, 그 질문을 검토하면서 구상이 어떻게 변화했는지를 남겨두었다.