열죽음(heat death) 또는 열사(熱死)는 우주의 종말에 대한 과학적 가설 중 하나이다. 이 가설에 따르면, 우주는 열역학적 자유 에너지가 없는 상태로 진화하여 최대 엔트로피에 도달함으로써 더 이상의 열역학 과정을 유지할 수 없게 된다. 가설적인 열죽음은 특정 절대 온도를 의미하는 것이 아니라, 온도 차이나 다른 과정을 이용하여 일(work)을 수행할 수 없게 되는 상태, 즉 우주가 열역학적 평형에 도달하는 시점을 가리킨다.
역사
열죽음 이론은 1850년대 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨(William Thomson)의 아이디어에서 비롯되었다. 톰슨은 열 이론을 자연에서의 역학적 에너지 손실로 간주하고 이를 우주적 규모의 더 큰 과정으로 외삽(extrapolation)했다. 1852년 톰슨은 "자연의 역학적 에너지 소산의 보편적 경향에 대하여(On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy)"를 발표하여 역학적 운동과 그 운동을 만드는 데 사용되는 에너지가 자연적으로 소산되거나 고갈되는 경향이 있다는 견해를 제시했다. 1862년에는 "태양 열의 나이에 대하여(On the age of the Sun's heat)"라는 논문을 발표하여 에너지의 불멸성(열역학 제1법칙)과 에너지의 보편적 소산(열역학 제2법칙)에 대한 자신의 신념을 재확인했다.
이후 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann von Helmholtz)와 윌리엄 랭킨(William Rankine)이 톰슨의 아이디어를 인정하고 추가 논문을 발표하여 우주가 "열죽음"으로 끝날 것이며 이는 "모든 물리적 현상의 종말"이 될 것이라고 주장했다.
한편, 우주의 모든 천체가 식어 결국 생명을 지탱하기에 너무 추워질 것이라는 추측은 이보다 더 이른 1777년 프랑스 천문학자 장 실뱅 바이(Jean Sylvain Bailly)가 처음으로 제기한 것으로 보인다.
이론적 배경
열죽음이라는 아이디어는 열역학 제2법칙에서 비롯된다. 이 법칙의 한 버전은 고립계에서 엔트로피(무질서도)가 증가하는 경향이 있다고 말한다. 이 가설은 우주가 충분히 오래 지속된다면 모든 에너지가 고르게 분포된 상태에 점근적으로 접근할 것이라고 가정한다. 다시 말해, 자연에는 역학적 에너지(운동)가 열에너지로 흩어지는(에너지 변환) 경향이 있으며, 시간이 지남에 따라 열역학 제2법칙으로 인해 일이 열로 변환되면서 우주의 역학적 운동이 멈출 것이라는 견해이다.
우주의 곡률과 열죽음
우주의 곡률이 쌍곡선형 또는 평평하거나, 암흑 에너지가 양의 우주상수일 경우, 우주는 영원히 팽창할 것이며 열죽음이 발생할 것으로 예상된다. 이 경우 우주는 오랜 시간이 지난 후 매우 낮은 온도에서 평형 상태에 도달할 것이다. 우주상수가 0이라면 우주는 매우 긴 시간 척도에 걸쳐 절대 영도에 접근할 것이며, 우주상수가 양수라면 온도는 0이 아닌 양의 값으로 점근적으로 접근하여 더 이상 일이 불가능한 최대 엔트로피 상태에 도달할 것이다.
시간 척도
이론에 따르면, 초대질량 블랙홀이 호킹 복사로 인해 붕괴하는 시간은 약 10^100년(1구골년) 정도로 추정된다. 은하의 초은하단 붕괴 동안 성장한 더 거대한 블랙홀들조차도 최대 10^106년에 걸쳐 증발할 것으로 예측된다. 그 이후, 우주는 소위 암흑 시대에 진입하여 주로 희박한 광자와 경입자 가스로 구성될 것으로 예상된다.
비판과 논의
열죽음 가설에 대해서는 여러 학자들이 이론적 의문을 제기해 왔다. 막스 플랑크(Max Planck)는 "우주의 엔트로피"라는 구절은 정확한 정의를 허용하지 않으므로 의미가 없다고 썼다. 월터 그랜디(Walter Grandy)는 2008년에 우주와 그 주요 구성 요소에 대해 그들의 전체 존재 기간 동안 결코 평형 상태에 있지 않았던 열역학적 엔트로피를 어떻게 정의할 수 있을지 의문을 제기했다. 리 스몰린(Lee Smolin)은 중력이 우주를 열역학적 평형 상태에서 벗어나게 하는 데 중요하며, 중력적으로 묶인 시스템은 음의 비열을 가지므로 균일한 평형 상태로 진화하지 않고 오히려 하위 시스템으로 분열되면서 점점 더 구조화되고 이질적으로 변한다고 지적했다.
대중문화 속의 열죽음
열죽음은 여러 대중문화 작품에서 소재로 활용되었다. 아이작 아시모프(Isaac Asimov)의 1956년 단편 소설 《최후의 질문》(The Last Question)에서 인간들은 우주의 열죽음을 어떻게 피할 수 있을지 반복적으로 질문한다. 애니메이션 《마법소녀 마도카☆마기카》(2011)에서는 적대자 큐베가 마법소녀들의 에너지를 수확하여 엔트로피에 맞서 싸우고 우주의 열죽음을 막으려는 외계 종족의 일원으로 등장한다. 게임 《아우터 와일즈》(2019)는 우주의 열죽음과 이전 우주가 열죽음을 겪은 후 새로운 우주가 탄생하는 순환 이론을 주요 주제로 다룬다.
