카르다쇼프 척도 - 우주 문명 발전을 분류하는 기준점

카르다쇼프 척도(The Kardashev scale)는 우주 문명 발달 수준을 평가하는 데 사용되는 척도입니다. 이러한 척도는 러시아의 천문학자 니콜라이 카르다쇼프(Nikolai Kardashev)가 1964년에 처음으로 제안했습니다. 이 척도는 주로 문명의 기술적인 능력과 에너지를 기준으로 합니다. 

지금까지 관측된 데이터에 따르면, 인류는 아직 카르다쇼프 척도의 어떤 단계에도 도달하지 못한다고 합니다. 현재로는 제0형 문명에 가깝다고 할 수 있으며, 이는 에너지 소비를 주로 화석 연료에서 충족하고 있기 때문이라고 합니다. 더 상세하게 설명하자면 다음과 같습니다.

카르다쇼프 척도는 우주 문명의 발전 정도를 나타내는 3단계 척도입니다.

• 유형 1 문명은 행성 문명이라고도 하며, 해당 행성에서 사용할 수 있는 모든 에너지를 사용하고 제어할 수 있다.
• 유형 2 문명은 항성 문명이라고도 하며, 항성계 규모에서 에너지를 사용하고 제어할 수 있다.
• 유형 3 문명은 은하계 문명이라고도 하며, 은하계 전체 규모에서 에너지를 제어할 수 있다.

개요

이 척도는 다음과 같이 3단계로 상세히 분류됩니다.

• 1형 - 행성의 모든 에너지를 이용할 수 있는 문명. 에너지 소비량은 4 × 1019 erg/초(약 4×1012W)입니다. 유형 1 문명은 일반적으로 모성 별에서 쏟아지는 모든 에너지를 이용할 수 있는 것으로 정의됩니다. 천문학자 기예르모 A. 르마르샹은 이 수치는 현재 지구에서 달성한 것보다 약 4배 높은 에너지 소비량인 2 × 10 13W이며, 이는 현대 지구 문명에 가까운 수준이며, 1016 ~ 1017W의 지구 태양 복사량에 해당하는 에너지 용량을 가지고 있다고 했다.
• 2형 - 모성 별의 모든 에너지를 이용할 수 있는 문명. 예를 들어, 다이슨 구를 건설할 수 있는 과학기술을 보유한 수전. 에너지 소비량은 4 × 1033 erg/초(약 4×1026W)이다.
• 3형 - 속한 은하계의 모든 에너지를 통제할 수 있는 문명. 소비량은 4 × 1044erg/초(약 4 × 1037W)이다.

인류 문명의 현주소

현재 인류는 아직 유형 1 문명의 지위에도 도달하지 못했습니다. 물리학자이자 미래학자인 미치오 카크는 인류가 100 ~200년 안에 유형 1, 수천 년 안에 2, 10 ~ 100만 년 안에 유형 3 문명이 될 수 있다고 제안했습니다.

칼세이건은 유형1(10 10 W), 유형2(10 26 W), 유형3(10 36 W)에 대한 위의 값을 보간하고 외삽하는 공식으로  중간값을 정의할 것을 제안했습니다. 

K = log 10 P - 6 / 1-

이 값은 K는 카르다쇼프 척도이고 P는 전력 소비량(와트)입니다. 이 외삽법을 사용하면 카르다쇼프에 의해 정의되지 않은 '유형 0' 문명이 약 1MW의 전력을 제어하며, 1973년 당시 인류의 문명 유형은 약 0.7이었습니다.

2018년 세계 총 에너지 소비량은 13864.9 Mtoe(161,249 TWH)로 평균 전력 소비량 18.40 TW, 세이건 보간 카르다쇼프 척도는 0.7265에 해당합니다.

 

에너지 개발 - 유형 1 문명

• 핵융합 에너지의 대규모 응용. 질량과 에너지의 등가성(E=mc2)에 따르면, 1형 문명은 초당 약 2㎏의 물질을 에너지로 변환하는 것을 의미합니다. 이론적으로 초당 약 280㎏의 수소를 핵융합으로 헬륨으로 변환하여 동등한 에너지 방출을 달성할 수 있습니다. 1입방㎞의 물에는 약 1011㎏의 수소가 포함되어 있으며, 지구의 바다에는 약 1.3×109입방㎞의 물이 포함되어 있습니다. 즉, 지구상의 인류는 이용 가능한 관점에서 지질학적 시간 규모에서 이 소비율을 유지할 수 있습니다. 
• 대량의 반물질은 현재 기술 수준보다 몇 배 더 큰 규모로 전력을 생산할 수 있는 메커니즘을 가지고 있습니다. 반물질 - 물질 충돌에서 입자의 정지된 질량 전체가 복사 에너지로 변환됩니다. 이 에너지 밀도(질량당 방출되는 에너지)는 핵분열보다 약 4배, 핵융합에서 얻을 수 있는 최고 수율보다 약 2배 더 큽니다. 1㎏의 반물질과 1㎏의 물질의 반응은 1.8 × 1017줄(180페타줄)의 에너지를 생성합니다. 반물질이 에너지원으로 제안되기도 하지만, 이는 현실적이지 않다고 여겨접니다. 현재 물리학 법칙에 따르면, 인위적으로 반물질을 생성하려면 먼저 에너지를 질량으로 변환해야 하며, 순 에너지를 만들어내지 못합니다. 인위적으로 생성된 반물질은 미래의 기술 개발(반물질에 유리한 CP 대칭성 파괴) 등 반물질에 유리한 양성자 수의 보존과 달리 일반 물질의 변환을 허용하지 않는 한 에너지원이 아닌 에너지 저장 매체로 사용될 것입니다. 이론적으로 지적 문명은 미래에 자연계에 존재하는 많은 반물질의 원천을 재배하고 수확하는 기술을 가질 수 있습니다.
• 햇빛을 전기로 변환하는 재생 가능 에너지 - 태양전지를 이용한 대규모 태양광 발전. 간접적으로는 바이오 연료, 풍력, 수력 발전 등. 인공 구조물로 지구 표면을 완전히 덮지 않고 태양에너지를 모두 흡수하는 방법은 알려져 있지 않으며, 현재 인류의 기술로는 실현 불가능합니다. 궤도에 매우 큰 태양광 발전 위성을 건설한다면, 유형 1 문명의 전력 수준을 달성할 수 있을 것입니다. 이들은 태양광을 마이크로파로 변환하여 지구상의 수신기에 전력을 전송합니다.

에너지 개발 - 유형 2 문명

유형 2 문명은 유형 1 문명에서 채택한 것과 같은 방법을 사용하기도 하지만, 다수의 행성계에 있는 다수의 행성에 적용됩니다.

 

• 다이슨 구난 다이슨 소름과 같은 거대한 구조물을 건설하고, 모성 별을 태양광 발전 위성으로 둘러싸고 그 에너지 출력의 대부분 또는 전부를 이용합니다.
• 사용 가능한 에너지를 생성하는 것보다 더 이국적인 방법은 임의의 질량을 블랙홀로 보내어 강착원반에 의해 방출된 에너지를 모으는 것입니다. 덜 이국적인 방법은 이미 강착원반에서 탈출한 에너지를 포획하여 블랙홀의 각 운동량을 감소시키는 것입니다. 이 방법은 펜로즈 과정으로 알려져 있습니다.
• 스타리프팅은 수명이 다한 항성을 조작해 항성 문제의 상당 부분을 제거할 수 있는 과정입니다.
• 반물질은 많은 메가 스케일 엔지니어링 공정(앞서 언급한 스타리프팅 등)의 산업적 부산물로 생산될 가능성이 높기 때문에 재활용할 수 있습니다.
• 여러 별계, 개별 병의 출력은 작지만 충분한 수의 에너지를 수확할 수 있습니다.

에너지 개발 - 유형 3 문명

• 유형 3 문명은 유형 2 문명에서 채택한 것과 동일한 방법을 사용할 수 있지만, 하나 이상의 은하에서 가능한 모든 별에 개별적으로 적용됩니다.
• 대부분의 은하 중심에 존재하는 것으로 추정되는 초대형 블랙홀에서 방출되는 에너지를 이용할 수 있을지도 모릅니다.
• 만약 화이트홀이 존재한다면, 이론적으로 외부로 방출되는 물질을 모아 대량의 에너지를 공급할 수 있습니다.
• 감사선 버스트는 이론적으로 고도의 문명이 이용할 수 있는 전원 중 하나입니다.
• 퀘이사의 방출은 작은 활동성 은하의 방출과 쉽게 비교할 수 있으며, 수집이 가능하다면 대규모 전력을 공급할 수 있습니다.

스케일 확장

카르다쇼프 척도에 대한 몇 가지 확장 및 수정안이 제안되고 있습니다.

•  유형 0, 4, 5 문명 : 척도의 가장 직접적이고 가설적인 확장으로 우주 전체를 통제하거나 사용할 수 있는 유형 4 문명과 여러 우주의 집합을 통제할 수 있는 유형 5 문명이 있습니다. 또한 카르다쇼프 척도에 포함되지 않는 0형 문명도 생각할 수 있습니다. 가시 우주의 출력은 1045W의 몇 자릿수 이내입니다. 이러한 문명은 현재의 과학적 지식에 기반한 추측의 한계에 가깝거나 초월해 존재가 불가능할 수도 있습니다.(페르미의 역설)
• 졸탄 갈란타이(Zoltan Galantai)는 그러한 문명은 자연의 작용과 구별할 수 없기 때문에 감지할 수 없다고 주장합니다.
• 이론물리학자 미치로 카크는 자신의 저서에서 예를 들어 암흑에너지와 같은 '초은하적' 에너지원을 이용할 수 있는 타입 5 문명을 언급했습니다.
• 과학 저널리스트 조린 클레이튼은 타입 1에 도달하지 못한 행성 문명은 기본적으로 타입 0 문명이며, 타입 0.1 원시시대, 타입 0.2는 불을 발견한 정도라고 세분화했습니다. 클레이튼은 유형 4 문명은 하나의 은하계를 넘어 여러 은하군이나 은하단 혹은 초은하단 이상의 범위를 지배할 수 있게 된 문명이며, 우주의 인플레이션에 따른 가속팽창을 뛰어넘어 이동이 가능해졌을 때 사실상 관측 가능한 우주 전체를 지배할 수 있는 단계로 간주되는 단계라고 유형 5 문명은 관측 가능한 우주를 넘어 다원우주로의 진출, 혹은 우주 자체의 창조까지 가능해졌다고 여겨지는 단계이며, 사실상 종교의 창조신과 같다고도 기술하고 있습니다.
• SF 작가 베로니카 시코에(Veronica Sikoye)는 유형 4 이상의 확장은 SF에 가까운 것으로, 논자들에 따라 그 분류가 다양합니다. 

 

평행 우주를 넘어서 무한우주의 영역에서 노는 유형 5단계 이상은 신이라 할 수 있고, 우주를 창조하거나 소멸시킬 수 있는 에너지를 가지고 있을 것입니다. 현재로는 4단계 이상은 검증이 불가능하여 크게 비중을 두지 않는다고 합니다. 먼 미래에 기술이 더 개발되서 더 많은 우주(암흑물질과 평행우주 관련된 사실 입증)를 이해하게 된다면 카르다쇼프 척도 4, 5, 6단계에 대한 연구도 더 신중하게 이루어질 수 있다고 봅니다.