삼체 문제, 세 개의 태양 아래 살아남기

삼체 문제, 세 개의 태양 아래 살아남기

최근 많은 분이 소설과 드라마를 통해 알게 된 삼체 문제, 들어보셨나요? 세 개의 태양을 가진 행성이라니, 상상만으로도 신비롭지만 그곳에서의 삶은 어떨까요? 사실 이 삼체 문제는 천문학과 물리학에서 오랫동안 풀리지 않은 난제입니다.


오늘 지식의 우주에서는 왜 우리가 삼체 문제를 풀 수 없는지, 그리고 만약 세 개의 태양을 가진 행성에 산다면 어떤 끔찍하고 혼란스러운 일들이 벌어질지 알아보겠습니다.

삼체 문제, 세 개의 태양 아래 살아남기

예측 불가능한 춤: 삼체 문제란 무엇인가?

삼체 문제(Three-Body Problem)란 간단히 말해, 질량을 가진 세 개의 물체가 서로의 중력에 의해 어떻게 움직일지를 예측하는 문제입니다. 예를 들어 태양, 지구, 달 세 천체의 움직임을 계산하는 것이죠. 두 개의 물체만 있다면 문제는 간단해집니다. 뉴턴의 만유인력 법칙에 따라 서로를 중심으로 안정적인 타원 궤도를 그리며, 그 움직임은 정확하게 예측할 수 있습니다.


이를 이체 문제(Two-Body Problem)라고 합니다.
하지만 물체가 단 하나만 추가되어도 상황은 완전히 달라집니다. 세 물체는 서로에게 끊임없이 중력 영향을 주고받으며, 각자의 궤도를 미세하게, 하지만 예측 불가능한 방식으로 바꿉니다. 이들의 움직임은 안정적인 패턴을 보이지 않고 혼돈(Chaos) 상태에 빠져들게 됩니다.

왜 삼체 문제는 풀 수 없는 난제일까?

삼체 문제가 풀기 어려운 근본적인 이유는 바로 혼돈 이론과 관련이 깊습니다. 아주 작은 초기 조건의 차이가 시간이 지남에 따라 엄청나게 다른 결과로 이어진다는 나비 효과를 생각하면 쉽습니다.

• 초기 조건의 민감성: 세 천체의 처음 위치나 속도에 눈에 보이지 않을 만큼 작은 오차만 있어도, 시간이 흐르면 그들의 미래 궤도는 완전히 다르게 나타납니다.

• 일반해의 부재: 수학적으로 모든 경우에 적용할 수 있는 단 하나의 깔끔한 공식, 즉 일반해가 존재하지 않는다는 것이 19세기 말 수학자 앙리 푸앵카레에 의해 증명되었습니다. 그는 삼체 문제의 궤도가 극도로 복잡하고 비주기적이며, 예측이 불가능하다는 것을 보여주었습니다.

• 무한한 상호작용: 각 천체는 다른 두 천체로부터 동시에 중력을 받습니다. 이 힘의 크기와 방향은 천체들의 위치가 바뀜에 따라 실시간으로 변하기 때문에, 다음 순간의 위치를 계산하는 것 자체가 어마어마하게 복잡한 연산을 요구합니다.

물론 아주 특별한 조건하에서 안정적인 궤도를 그리는 특수해(예: 라그랑주 점)가 발견되기도 했지만, 이는 극히 예외적인 경우일 뿐입니다. 대부분의 삼체 시스템은 예측 불가능한 혼돈의 춤을 출 운명인 것이죠.

카오스 나비효과

태양 세 개짜리 행성: 생존을 위한 투쟁

그렇다면 소설에서처럼 세 개의 태양이 하늘에 떠 있는 행성에 생명체가 존재한다면 어떤 일이 벌어질까요? 그곳은 아마 지옥에 가장 가까운 모습일 겁니다.

예측 불가능한 시대의 반복

이 행성의 역사는 안정기와 난세기로 나뉠 것입니다.

• 안정기: 운이 좋게 태양 하나의 중력권에 안정적으로 붙들리거나, 혹은 세 태양이 아주 멀리 떨어져 서로 큰 영향을 주지 않는 시기입니다. 이때는 지구처럼 비교적 안정적인 낮과 밤, 그리고 계절이 존재할 수 있습니다. 문명은 이 짧은 평화의 시기에 싹트고 발전할 것입니다.

• 난세기: 하지만 이 평화는 언제든 깨질 수 있습니다. 세 태양의 궤도가 예측 불가능하게 바뀌면서 행성은 극심한 혼돈에 휩싸입니다. 어느 날은 태양 두 개가 지평선 위로 떠올라 모든 것을 태워버리는 극열의 시대가 오고, 또 어느 날은 세 태양 모두가 멀리 사라져 모든 것이 얼어붙는 극한의 시대가 닥칠 수 있습니다. 때로는 태양 하나가 행성에 너무 가까이 다가와 그 중력으로 행성을 찢어버리거나, 아예 이 항성계 밖으로 영원히 던져버릴 수도 있습니다.

문명의 명멸과 적응

이런 극한의 환경에서 문명이 유지되기는 거의 불가능합니다. 수많은 문명이 나타났다가 난세기를 버티지 못하고 사라지는 일이 반복될 것입니다. 생명체들은 이 끔찍한 환경에 적응하기 위해 독특한 방식으로 진화해야만 합니다.

• 생존을 위한 극단적 진화: 소설 속 삼체인처럼, 끔찍한 환경이 닥쳤을 때 몸의 수분을 모두 빼앗아 건조한 상태로 변해 살아남고, 안정기가 오면 다시 물을 흡수해 깨어나는 식의 극단적인 생존 전략을 가질 수 있습니다.

• 미래를 포기한 과학: 이 행성의 과학자들에게 가장 중요한 목표는 단 하나, 바로 태양들의 움직임을 예측하는 것입니다. 하지만 삼체 문제의 본질에서 알 수 있듯, 이는 근본적으로 불가능한 미션입니다. 그들은 수백, 수천 번의 문명이 멸망하는 동안에도 다음 안정기가 언제 올지, 다음 난세기가 얼마나 끔찍할지 결코 예측할 수 없습니다.

결국 그들에게 남은 유일한 희망은 자신들의 행성을 버리고, 안정적인 태양을 가진 새로운 보금자리를 찾아 우주로 떠나는 것일지도 모릅니다.

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지식의 우주 코멘트

뉴턴의 법칙이라는 단순한 규칙에서 출발했지만, 단지 대상이 하나 늘어났을 뿐인데도 혼돈이라는 거대한 벽에 부딪히는 삼체 문제는 우주가 얼마나 복잡하고 예측하기 어려운 곳인지를 잘 보여주는 것 같습니다.


우리가 매일 아침 당연하게 맞이하는 안정적인 태양과 예측 가능한 계절이 사실은 얼마나 소중하고 기적 같은 일인지 다시 한번 생각하게 되네요. 세 개의 태양 아래에서 희망을 찾는 존재들의 이야기는, 지금 우리가 발 딛고 있는 이 푸른 행성의 소중함을 일깨워주는 듯합니다.