과학은 종종 우리의 상상력을 현실로 검증하는 도구입니다. 드래곤처럼 불을 내뿜는 생명체가 정말 존재할 수 있을까요? 이 질문은 단순한 호기심을 넘어 물리적 가능성과 진화적 이득이라는 두 가지 과학적 축으로 분석되어야 합니다. 또한 반딧불이가 빛의 속도로 광자를 만들어내는 원리, 블랙홀이 절대온도 0도를 유지하면서도 호킹 복사를 방출하는 현상까지, 과학은 우리가 당연하게 여기던 상식에 끊임없이 질문을 던집니다.
불을 내뿜는 생명체, 진화론적으로 가능한가
메탄 가스를 방출하는 생명체나 전기뱀장어처럼 전기를 이용하는 생명체는 실제로 존재합니다. 그렇다면 불을 내뿜는 생명체도 가능하지 않을까요? 이 질문에 답하기 위해서는 두 가지 관점에서 접근해야 합니다. 첫째, 물리적으로 가능한가? 둘째, 진화적으로 유리한가? 물리적 가능성만 놓고 보면 불을 만드는 메커니즘 자체는 불가능하지 않습니다. 인간도 메탄 가스를 배출하고, 이에 점화 장치만 있다면 불을 만들 수 있습니다. 그러나 진화는 "가능한 것"이 아니라 "살아남는 것"을 선택합니다. 불은 통제하기 극도로 어렵고, 자기 자신에게도 치명적이며, 에너지 소모가 극심합니다. 단백질로 구성된 대부분의 생명체에게 불은 곧 자기 파괴를 의미합니다. 전기뱀장어나 독을 사용하는 생명체들은 비접촉 살상과 자기 안전 확보라는 두 마리 토끼를 모두 잡았습니다. 반면 불을 사용한다면 사냥 대상인 모기를 잡다가 자신의 둥지까지 태워버릴 위험이 있습니다. 진화적 관점에서 볼 때, 불은 시각적으로는 멋있지만 생존 효율은 최악입니다. 자연은 멋이 아니라 효율을 선택하기 때문에, 드래곤은 판타지 속에서만 존재할 가능성이 높습니다. 독이 있는 생명체는 자신의 독에 대한 면역을 발전시킬 수 있지만, 불을 내뿜는 생명체가 잘못해서 자기 새끼에게 불을 뿜었을 때 이를 막을 수 있는 메커니즘을 상상하기는 어렵습니다. 이것이 바로 진화가 불을 내뿜는 생명체를 선택하지 않은 이유입니다.
반딧불이는 어떻게 빛의 속도를 만드는가
반딧불이가 빛을 낸다는 것은 광자를 발산한다는 의미입니다. 광자는 1초에 약 30만 킬로미터를 이동하는데, 생명체가 어떻게 이런 속도를 만들어낼 수 있을까요? 이 질문에는 상대성이론이 답을 제공합니다. 아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면, 질량이 0인 입자는 항상 빛의 속도로 움직입니다. 광자는 질량이 0이기 때문에, 생성되는 순간부터 무조건 빛의 속도로 이동할 수밖에 없습니다.
반딧불이는 빛을 만들어서 쏘는 것이 아닙니다. 반딧불이 엉덩이에서 광자가 생성되는 순간, 그 광자는 자동으로 빛의 속도로 움직이기 시작합니다. 이는 태양에서 일어나는 일과 물리적으로 동일합니다. 질량이 0인 입자는 속도가 빛보다 느릴 수도 없고 빠를 수도 없습니다. 방향은 조정할 수 있지만, 속력 자체를 바꿀 수는 없습니다. 회중전등을 이쪽이나 저쪽으로 비출 수는 있지만, 빛의 속도를 늦추거나 빠르게 할 수는 없는 것과 같은 원리입니다. 흥미로운 사고실험이 있습니다. 빛의 감소가 전혀 없는 완벽한 거울로 이루어진 정육면체 방 안에 반딧불이를 넣으면 어떻게 될까요? 반딧불이가 빛을 내면, 그 빛은 30만 킬로미터의 속도로 사방으로 튕기며 방 전체를 밝힐 것입니다. 만약 반사율이 정확히 1이라면, 한 번 만들어진 빛은 사라질 수 없으므로 무한히 돌아다닐 것입니다. 하지만 이것이 에너지 무한 생성을 의미하는 것은 아닙니다. 탁구공을 생각해보면 쉽습니다. 탁구공 100개를 방 안에서 튀긴다고 해서 탁구공이 200개가 되는 것은 아닙니다. 반딧불이가 생산한 에너지의 총량과 방 안의 빛이 갖고 있는 에너지의 총량은 동일합니다. 또한 우리는 반딧불이를 특별한 발광 생명체로 여기지만, 사실 인간도 빛을 내고 있습니다. 체온을 재는 적외선 온도계가 바로 그 증거입니다. 반딧불이는 단지 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선 대역의 빛도 함께 내는 메커니즘을 가지고 있을 뿐입니다. 온도를 가진 모든 생명체는 발광 생명체입니다. 차이는 본질이 아니라 파장 대역의 차이일 뿐입니다.
블랙홀의 온도는 0도, 그런데 호킹 복사는 왜 나올까
블랙홀은 빛조차 빠져나올 수 없는 천체입니다. 온도를 잰다는 것은 열을 낸다는 것이고, 이는 곧 빛을 내뿜는다는 의미입니다. 그런데 블랙홀은 모든 것을 흡수만 하고 빛을 발산하지 않기 때문에, 블랙홀 자체의 온도는 절대온도 0도입니다. 그러나 스티븐 호킹은 블랙홀 주변에서 매우 흥미로운 현상이 일어난다는 것을 발견했습니다. 블랙홀 주변의 사건의 지평선, 즉 빛조차 빠져나갈 수 없는 경계 근처에서는 양자역학적 현상이 발생합니다. 우리가 아무것도 없다고 생각하는 진공도 사실은 완전히 비어 있지 않습니다. 양자역학적 레벨에서 보면 양의 에너지를 가진 입자와 음의 에너지를 가진 입자가 쌍으로 생성되었다가 다시 합체하여 소멸하는 일이 끊임없이 벌어지고 있습니다. 이를 쌍생성과 쌍소멸이라고 합니다. 블랙홀 경계에서 쌍생성된 두 입자 중 하나는 블랙홀로 빨려 들어가고, 다른 하나는 짝을 잃어버립니다. 원래라면 곧바로 소멸되어야 하는데, 짝이 블랙홀 안으로 들어갔기 때문에 남은 입자는 블랙홀 바깥으로 발산됩니다. 이것이 마치 블랙홀 주변에서 빛 입자가 발산되는 것처럼 보이는 현상이 바로 호킹 복사입니다. 이론적으로 측정하면 0도보다 높은, 물론 여전히 매우 낮지만 미미한 온도를 가지고 있습니다. 더욱 흥미로운 점은 블랙홀이 무거울수록 호킹 복사가 줄어든다는 사실입니다. 사건의 지평선이 크면 곡률이 작아지기 때문에 입자가 들어가고 나가는 확률이 낮아집니다. 반대로 블랙홀의 크기가 작아질수록 곡률이 세져서 입자가 걸려서 들어가고 나갈 확률이 높아집니다. 따라서 블랙홀은 가벼워질수록 온도가 올라갑니다. 호킹 복사로 인해 블랙홀 내부의 질량은 천천히 줄어들며, 결국 블랙홀도 증발하여 사라지게 됩니다. 블랙홀의 실제 모습에 대한 오해도 많습니다. 블랙홀은 깔때기처럼 생긴 것이 아니라 수학적인 점입니다. 크기가 0인 한 점에 엄청난 질량이 집중되어 있는 초고밀도 상태입니다. 우리가 그림에서 보는 깔때기 모양은 2차원으로 시공간의 휘어짐을 시각화한 것일 뿐입니다. 실제로는 사방 360도 모든 방향에서 시공간이 블랙홀 쪽으로 휘어져 있습니다. 천문학자들이 찍은 블랙홀 사진의 빨간 도넛 모양도 블랙홀 자체가 아니라, 블랙홀 주변의 극단적으로 휘어진 시공간을 따라 유턴한 빛을 본 것입니다. 블랙홀 뒤쪽에서 날아간 빛도 휘어진 시공간을 따라 앞으로 날아와 우리 눈에 동그란 빛의 고리로 보이는 것입니다.
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과학은 "왜?", "그럼?", "진짜로?", "그게 말이 돼?"라는 질문을 끊임없이 던지는 과정입니다. 그래서 계속해서 흥미로운 주제들이 등장할 수 있습니다. 불을 내뿜는 생명체가 존재하지 않는 이유는 진화가 효율을 선택하기 때문이며, 반딧불이가 빛의 속도로 광자를 만드는 것은 질량 0인 입자의 필연적 특성 때문입니다. 블랙홀은 절대온도 0도이지만 호킹 복사를 통해 결국 증발하며, 우리가 보는 블랙홀 이미지는 실제 블랙홀이 아니라 극단적으로 휘어진 시공간의 흔적입니다. 이러한 사고 방식이야말로 과학자의 진짜 내공이며, 정보의 양이 아니라 사고의 구조가 과학의 본질임을 이 대화는 증명합니다.
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**[출처]**
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=l5ycVrgQ34I&list=PLYeXRzoBwGeHVguBktW327fxb1tKqLXrR&index=145