관측 가능한 우주에 존재하는 원자 개수를 계산하는 방법

원자로 구성된 우주

우주의 모든 물질은 크기 또는 나이와는 상관없이 모두 원자로 구성되어 있습니다. 우주 빌딩의 각 블록은 양성자와 중성자로 구성된 양전하 핵 및 음전하 궤도 전자로 구성됩니다. 원자가 갖고 있는 양성자, 중성자, 전자의 수는 주기율표에서 원자가 속하는 원소를 결정하고 주변 다른 원자와 반응하는 방식에 영향을 끼칩니다. 우리가 주변에서 보는 모든 것은 독특한 방식으로 서로 상호 작용하는 다양한 원자의 구성일 뿐입니다. "모든 것이 원자로 이루어져 있다면 우주에는 얼마나 많은 원자가 있는지 알 수 있을까?"라는 질문에 과학자들은 "작게 시작하려면 평균 인체에는 약 7옥틸리언, 즉 7x10^27개의 원자가 있다"라고 답했습니다. 한 사람의 몸 안에 있는 이 엄청난 양의 원자를 고려하면, 전체 우주에는 도대체 얼마나 많은 원자가 있을지 헤아리는 것이 불가능해 보입니다. 이와 관련해 과학자들은 "우리는 전체 우주가 실제로 얼마나 큰지 모르기 때문에 그 안에 얼마나 많은 원자가 있는지 알 수 없다"라면서도 "그러나 몇 가지 우주론적 가정과 약간의 수학을 사용하여 우리가 보고 연구할 수 있는 우주의 일부인 관찰 가능한 우주에 얼마나 많은 원자가 있는지 대략적으로 계산할 수 있다"라고 전했습니다.

 

관측 가능한 우주

138억 년 전 빅뱅으로 탄생한 우주는 질량과 온도가 무한한 한 지점에서 폭발해 존재하게 되면서 바깥쪽으로 팽창하기 시작했고 그 이후로 이것을 멈추지 않았습니다. 우주의 나이는 138억 년이고, 관측 가능한 우주는 우주 탄생 이후 빛이 이동할 수 있는 만큼 우리로부터 멀리 뻗어 있습니다. 그렇기 때문에 우리는 관측 가능한 우주가 모든 방향으로 138억 광년만 뻗어 있다고 가정할 수 있습니다. 그러나 과학자들은 "우주는 끊임없이 팽창하고 있기 때문에 사실은 그렇지 않다"라고 짚었습니다. 멀리 떨어진 은하 또는 별을 관찰할 때 우리가 실제로 보는 것은 그것이 처음 빛을 방출했을 때의 위치입니다. 그러나 빛이 실제로 우리에게 도달할 때쯤이면 해당 은하와 별들은 우리가 봤을 때보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있습니다. 우리는 우주 마이크로파 배경 복사를 이용해 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지 알아낼 수 있습니다. 일부 과학자들은 속도가 느려지고 있다고 생각하지만, 현재 과학자들의 추측 중 최선으로 꼽히는 것은 그 속도가 일정하다는 추정입니다. 이는 관찰 가능한 우주가 실제로 모든 방향으로 460억 광년에 걸쳐 펼쳐져 있다는 의미로 해석할 수 있습니다. 그러나 관측 가능한 우주의 크기를 안다고 해서 그 안에 원자가 몇 개 있는지에 대해 밝혀지는 것은 아니며, 우리는 그 안에 얼마나 많은 물질이 들어 있는지 알아야 합니다.

 

가정과 결합

물질은 우주에서 유일한 것이 아닙니다. 나사는 "사실 물질은 우주의 약 5%만을 차지한다"라고 발표했습니다. 나사에 따르면 나머지는 암흑 에너지와 암흑 물질로 구성되어 있으며, 원자로 구성되어 있지 않습니다. 과학자들은 "그렇기 때문에 이 미스터리에 대해서는 걱정할 필요가 없다"라고 선을 그었습니다. 아인슈타인의 유명한 E=mc^2 방정식에 따르면 에너지와 질량, 즉 물질은 상호 교환이 가능합니다. 그러므로 물질이 에너지로부터 생성되거나 에너지로 변환되는 것도 가능해집니다. 우주의 규모에서 우리는 생성된 물질과 생성되지 않은 물질의 양이 서로 상쇄된다고 가정할 수 있으며, 이것은 물질이 유한하다는 것을 의미합니다. 연구에 참여한 한 과학자는 "관측 가능한 우주에는 항상 그랬던 것처럼 동일한 수의 원자가 있을 것"이라며, "관측 가능한 우주에 대한 우리의 그림은 시간에 따른 단일 스냅샷이 아니기 때문에 이것은 중요하다"라고 덧붙였습니다. 알려진 우주에 대한 앞선 관찰에 따르면 우주를 지배하는 물리적 법칙은 모든 곳에서 동일합니다. 이 관찰을 우주의 팽창이 일정하다는 가정과 결합하면, 결국 물질이 우주 전체에 대규모로 균일하게 분포되어 있다는 결론이 나옵니다. 이는 우주론적 원리라고 알려진 개념으로, 즉 우주에서 다른 지역보다 물질이 더 많은 지역은 없습니다. 이 아이디어를 통해 과학자들은 관측 가능한 우주에 있는 별과 은하의 수를 정확하게 추정할 수 있으며, 대부분의 원자가 별 안에서 발견되기 때문에 유용합니다.

 

방정식을 단순하게

관측 가능한 우주의 크기와 그 물질이 우주 전체에 균일하고 유한하게 분포되어 있음을 알면 원자의 수를 계산하는 것이 훨씬 쉬워집니다. 그러나 계산기를 사용하기 전, 몇 가지 가정이 더 필요합니다. 가장 먼저 우리는 실제로는 그렇지 않더라도 모든 원자가 별 안에 포함되어 있다고 가정해야 합니다. 불행하게도 우리는 관측 가능한 우주의 별과 비교해 얼마나 많은 행성, 달, 우주 암석이 있는지에 대한 정확도가 훨씬 낮습니다. 이러한 이유에서 우리는 이를 방정식에 추가하기가 더 어렵습니다. 그러나 우주에 있는 원자 대부분은 별 안에 포함되어 있기 때문에, 우리는 별에 있는 원자의 수를 알아내고 다른 모든 것을 무시함으로써 우주에 있는 원자의 수에 대한 보다 좋은 근사치를 얻을 수 있습니다. 두 번째로 우리는 우주의 모든 원자가 수소 원자가 아니더라도 모두 수소 원자라고 가정해야 합니다. 수소 원자는 우주 전체 원자 중 약 90%를 차지하며, 우리가 집중하고 있는 별의 원자보다도 훨씬 더 높은 비율을 차지합니다. 이러한 가정을 세울 경우 계산도 훨씬 간단해집니다.

 

계산해 보자

관측 가능한 우주에 존재하는 원자의 수를 계산하기 위해서는 그 질량, 즉 별이 몇 개 있는지 알아야 합니다. 유럽 우주국에 따르면 관측 가능한 우주에는 약 10^11개에서 10^12개의 은하가 있으며, 각 은하에는 10^11~10^12개 사이의 별이 포함돼 있습니다. 이는 10^22에서 10^24개의 별 사이를 제공합니다. 계산의 목적에 따라 우리는 관측 가능한 우주에 10^23개의 별이 있다고 말할 수 있습니다. 물론 이는 최선의 추측일 뿐이고, 은하의 크기와 별 수는 다양하지만, 개별적으로 셀 수 없습니다. 과학 학술지에 따르면 평균적인 별의 무게는 약 2.2x10^32파운드(10^32kg), 우주의 질량이 약 2.2x10^55파운드(10^55kg)임을 뜻합니다. 평균적으로 물질 1g에는 약 10^24개의 양성자가 있으며, 이는 수소 원자의 수와 동일하다는 의미입니다. 각 수소 원자에는 단 하나의 양성자가 있기 때문입니다. 이것은 우리가 수소 원자에 대해 초기 가정을 한 이유입니다. 이러한 결과는 관측 가능한 우주에 10^82개의 원자를 제공합니다. 맥락에 맞게 쉽게 설명하면 이것은 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000개의 원자입니다. 해당 숫자는 수많은 근사치와 가정을 바탕으로 한 대략적인 추측일 뿐이지만, 관측 가능한 우주에 대한 우리의 현재 이해를 고려할 때 과학자들은 "그것이 목표에서 너무 멀리 벗어나지는 않을 것"이라고 판단했습니다.