A technological capability scale for civilizations from the Kardashev and Barrow scales

문명이 얼마나 멀리 나아갈 수 있는지 이해하기 위해, 과학자들은 오랫동안 두 가지 서로 다른 척도를 살펴보아 왔습니다. 하나는 단일 별의 힘부터 은하 전체의 총 출력에 이르기까지, 한 사회가 얼마나 많은 에너지를 움켜쥐고 사용할 수 있는지를 측정합니다. 다른 하나는 집을 짓는 것부터 개별 원자를 조작하는 것에 이르기까지, 사회가 도구를 얼마나 작게 만들 수 있는지를 측정합니다. 수십 년 동안 이 두 가지 발전 측정 방식은 분리되어 있었습니다. 하나는 문명의 연료 탱크 크기에 대해 말해주고, 다른 하나는 문명의 렌치 정밀도에 대해 말해줍니다. 하지만 새로운 연구는 진정으로 지적 생명체의 잠재력을 이해하기 위해서는 이 둘을 하나의 통합된 척도로 결합해야 한다고 제안합니다. 이 새로운 접근 방식은 다음과 같은 단순하고 근본적인 질문을 던집니다. '한 문명이 1초에 단 하나의 물질 상태를 몇 번이나 변화시킬 수 있는가?'

매사추세츠 공과대학교(MIT)와 캘리포니아 공과대학교(Caltech)를 포함한 기관의 연구진은 문명을 '제어 연산(control operations)' 수행 능력에 따라 분류하는 새로운 방법을 제안합니다. 제어 연산은 원자나 스위치와 같은 아주 작은 물질 조각을 가져와서, 그것이 이전에 무엇을 하고 있었는지와 상관없이 켜거나 끄는 것과 같은 특정 상태로 강제하는 것으로 정의됩니다. 이것은 정보를 쓰거나 무언가를 만드는 기본적인 행위입니다. 이 연구는 문명의 진정한 척도는 단순히 얼마나 많은 에너지를 가졌느냐가 아니라, 그 에너지를 사용하여 이러한 미세한 제어 행위를 얼마나 효율적으로 수행할 수 있느냐에 있다고 주장합니다. 사회가 초당 얼마나 많은 이러한 연산을 수행할 수 있는지 계산함으로써, 저자는 에너지의 규모와 기술의 정밀도를 모두 포착하는 단일 숫자를 만들어냅니다.

이 연구는 과거의 두 가지 유명한 아이디어에 기반하고 있습니다. 첫 번째로 알려진 카르다쇼프 척도(Kardashev scale)는 총 에너지 소비량에 따라 문명을 분류합니다. 제1유형 문명은 자신의 행성에 쏟아지는 별의 모든 에너지를 사용합니다. 제2유형은 항성 전체의 에너지를 통제하며, 제3유형은 은하 전체의 에너지를 다룹니다. 두 번째 아이디어인 배로 척도(Barrow scale)는 문명이 조작할 수 있는 가장 작은 것을 기준으로 순위를 매깁니다. 이 척도의 상위에 있는 문명은 도시를 건설할 수 있지만, 더 아래에 있는 문명은 유전, 분자, 그다음은 원자, 마지막으로 원자 내부의 핵을 조작할 수 있습니다. 새 논문은 문명이 가진 총 에너지와 도달할 수 있는 가장 작은 규모를 바탕으로, 문명이 초당 정보 비트(bit)를 몇 번이나 재설정할 수 있는지 계산함으로써 이 둘을 통합합니다.

연구진은 우주의 차가운 빈 공간으로 열을 방출하는 모든 문명에게는, 그들이 얼마나 효율적으로 일할 수 있는지에 대한 물리적 한계가 존재한다는 것을 발견했습니다. 이 한계는 현재 절대 영도보다 약 2.7도 높은 우주의 온도에 의해 설정됩니다. 만약 문명이 정보를 지우거나 물질의 비트를 설정하려 한다면, 반드시 열을 어딘가로 배출해야 합니다. 만약 그 열이 현재의 하늘로 들어간다면, 문명은 특정 기준선보다 더 효율적일 수 없습니다. 이는 현재 우주 공간으로 열을 방출하고 있는 모든 문명에게 있어, 그들의 총 역량이 총 에너지에 의해 제한된다는 것을 의미합니다. 더 많은 에너지를 가질수록 더 많은 연산을 수행할 수 있지만, 우주의 온도에 의해 설정된 효율성의 천장을 깨뜨릴 수는 없습니다.

저자가 이 척도를 인류에게 적용했을 때, 우리는 현재 에너지 척도에서 0.73 단계에 있으며, 이는 우리가 완전한 제1유형 문명의 약 절반에 해당하는 에너지를 사용하고 있음을 의미합니다. 그러나 우리의 효율성은 여전히 이론적 한계와는 거리가 멉니다. 연구는 지난 세기 동안 우리의 컴퓨팅 능력이 발전한 대부분의 동력이 더 많은 에너지를 얻은 것이 아니라, 우리가 가진 에너지를 사용하는 법을 훨씬 더 잘 알게 된 데서 왔음을 보여줍니다. 1950년 이후, 단일 논리 연산을 수행하는 데 필요한 에너지는 11 자릿수(orders of magnitude) 이상 감소했습니다. 이 거대한 진보는 더 큰 발전소를 짓는 것이 아니라, 장치를 훨씬 더 작고 효율적으로 만든 데서 주로 기인했습니다. 저자는 우리가 실험실에서 원자와 심지어 핵까지 조작하는 법을 익혔지만, 우리의 일상적인 기계들은 물리학이 허용하는 절대 최소치에 비해 엄청난 양의 에너지를 낭비하고 있다고 언급합니다.

이 논문은 또한 궁극적인 미래가 무엇을 담고 있을지도 살펴봅니다. 만약 어떤 문명이 물리학이 허용하는 최대 전력을 활용하고, 그 폐열을 우주의 가장자리 근처에 있는 블랙홀과 같은 가장 차가운 싱크(sink)로 배출할 수 있다면, 그들은 7.58의 역량 지수에 도달할 수 있습니다. 이것은 이론적인 한계이며, 어떤 문명도 도달한 적이 없고 아마도 영원히 도달하지 못할지도 모르는 지점입니다. 그것은 빛의 속도로 연산을 수행하면서 가능한 최대의 에너지 효율을 내는 기계를 나타냅니다. 연구는 우리가 현재 이 한계에서 멀리 떨어져 있지만, 앞으로 나아갈 길은 명확하다고 시사합니다. 즉, 단순히 더 많은 전력을 추가하는 것만으로는 최고 수준의 역량에 도달할 수 없기에, 우리는 계속해서 장치를 소형화하고 효율성을 개선해야 한다는 것입니다.

가장 놀라운 발견 중 중 하나는, 조작되는 대상의 규모가 정보를 지우는 데 드는 근본적인 에너지 비용을 변화시키지 않는다는 점입니다. 거대한 기계의 스위치를 올리는 것이든, 단일 원자핵의 스핀을 설정하는 것이든, 시작 상태가 무작위라면 필요한 최소 에너지는 동일합니다. 이는 더 작은 규모로 이동하는 것이 자동으로 문명을 더 효율적으로 만드는 것은 아니며, 에너지 비용이 함께 줄어들어야만 더 밀도 높은 저장과 빠른 처리가 가능해진다는 것을 의미합니다. 저자는 인류가 이 부분에서 발전해 왔음을 보여주지만, 우리의 기계가 절대적인 효율성의 한계에서 작동하는 지점에는 여전히 멀리 있다고 말합니다.

또한 이 연구는 무엇이 가능하고 무엇이 불가능한지를 명확히 합니다. 문명이 유한한 에너지로 무한한 횟수의 연산을 수행할 수 있다는 생각은 불가능하다고 선을 긋습니다. 일단 문명이 물리학이 허용하는 최소 에너지 비용으로 작동하게 되면, 열역학 제2법칙에 의해 명확한 중단점이 생깁니다. 문명이 물리적 최소 에너지 비용으로 작동하는 지점에 도달하면, 더 많은 일을 할 수 있는 유일한 방법은 더 많은 에너지를 얻거나 열을 버릴 더 차가운 곳을 찾는 것뿐입니다. 저자는 만약 우주가 계속 팽창하고 냉각된다면 먼 미래에 새로운 기회가 열릴 수도 있지만, 지금 당장은 우주 배경 복사의 온도가 한계를 결정한다고 제안합니다.

결국, 이 새로운 척도는 기술의 미래를 단순히 더 많은 전력을 향한 경주가 아니라, 더 높은 정밀함을 향한 여정으로 생각하는 방법을 제시합니다. 이는 우주의 가장 진보된 문명이 반드시 가장 큰 별을 가진 문명이 아니라, 최소한의 것으로 최대한을 해내는 법을 배운 문명임을 시사합니다. 에너지의 척도와 효율의 척도를 결합함으로써, 연구진은 우리가 어디에 서 있으며 어디로 갈 수 있는지에 대한 새로운 지도를 제공했습니다. 현재의 기계에서 궁극의 기술로 가는 여정은 길지만, 그 길은 이제 더 명확해졌습니다. 그것은 더 많은 에너지를 모으는 것과 그것을 완벽하게 아껴서 사용하는 것, 이 두 가지 목표에 의해 정의됩니다.