우주를 보다

[이광식의 천문학+] 우주를 모래알로 채운다면 몇개?-수학자 아르키메데스

작성 2015.05.11 18:32 ㅣ 수정 2015.08.28 18:03
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▲ ‘모래알 계산자’ 아르키메데스의 초상. 주세페 리베라 그림
‘모래알 계산자’ 아르키메데스의 초상. 주세페 리베라 그림


우주를 가득 채울 모래알 수는?

우주를 놓고 가장 기발한 생각을 한 사람을 꼽자면 아마도 기원전 3세기 아르키메데스일 것이다. 뉴턴, 가우스와 함께 역사상 3대 수학자로 꼽히는 아르키메데스는 과연 우주에 대해 어떤 생각을 했던 것일까? 그가 한 생각은 참으로 기상천외 그 자체였는데, 바로 이런 것이었다.

-모래알로 이 우주를 가득 채우려면 모래알이 몇 개나 들어갈까?

참으로 놀랍고 기발한 생각이 아닌가. 먼저 그 놀라운 상상력에 경의를 표하지 않을 수 없다. 고대 세계 최고의 지성으로 꼽히는 아르키메데스를 두고 프랑스의 계몽 사상가 볼테르가 호메로스보다 더 훌륭하고 풍부한 상상력을 가졌다고 상찬한 말이 빈말이 아님을 알 수 있다.

고대의 뛰어난 천문학자이기도 했던 아르키메데스는 왜 하필이면 모래를 갖고 그런 엄청난 계산을 하려 했던 것일까? 모래는 우리가 손가락으로 감각할 수 있는 물체 중 가장 작은 물건이다. 그리고 우주는 가장 크다. 이 극과 극, 둘의 비교는 얼마나 신선한가.

다른 이유도 있었다. 아르키메데스 이전까지 그리스 인들이 다루던 숫자의 크기는 기껏해야 1만을 넘지 않았다. 그리고 당시 수학자들은 바닷가의 모든 모래알 수를 나타낼 정도로 큰 수는 존재하지 않는다고 주장했는데, 아르키메데스는 그들에게 그보다 더 큰 수가 존재한다는 것을 증명해 보이기 위해 우주를 가득 채울 모래알 수 계산에 도전했던 것이다.

아르키메데스는 그 도전장인 ‘모래알 계산자'(The Sand Reckoner)라는 자신의 책 첫머리에서 이렇게 말하고 있다.

“겔론 왕 전하, 세상에는 모래알의 수가 무한대라고 생각하는 사람들이 있습니다. 제가 말씀 드리는 모래는 시라쿠사와 시칠리아 섬 전역에 있는 모래만을 이야기하는 것이 아닙니다. 사람이 사는 곳이건 살지 않는 곳이건 세상의 모래란 모래는 다 모았다고 생각해도 좋습니다. 단순히 무한대라는 표현을 쓰지 않고 이렇게 말하는 사람들도 있습니다. ‘여태껏 이름 붙여진 그 어떤 크기의 수라도 세상 모래알의 수보다는 작다’라고 말입니다.”

이렇게 운을 뗀 아르키메데스는 모래알로 우주를 가득 채우려면 몇 개나 있어야 하는가 하는 어마어마한 계산에 도전했던 것이다.

아르키메데스는 대체 어떤 방법으로 그 엄청난 크기의 숫자를 다루는 계산을 해냈을까? 당시는 복잡한 기수법 때문에 단순한 곱하기 문제도 여간 어렵지 않아 일반인들은 풀 엄두를 내지 못하던 때였다. 중세까지만 해도 유럽에 인도-아라비아 숫자가 전해지지 않아, 곱셈을 제대로 하려면 로마로 유학을 가야 했다는 웃지 못할 얘기가 전한다. 지금 생각하면 웃기는 일이지만 당시는 실제상황이었다.

그럼에도 아르키메데스는 그런 엄청난 계산을 해냈다. 그가 사용한 계산과정은 그의 위대성을 보여주는 것으로 다음과 같은 방법이었다.

먼저 그는 양귀비 씨앗 한 개의 크기에 해당하는 모래알의 수를 계산한 후, 다음에는 손가락 크기에 해당하는 양귀비 씨앗 개수를 어림잡아 구했다. 그리고 다음에는 육상 경기장 한 개를 가득 채우는 데 필요한 손가락 개수를 어림 계산하는 등과 같은 과정을 순차적으로 반복해나갔다. 이는 바로 지수 개념의 계산법이라 할 수 있다. 그의 위대한 지성은 기원전 3세기에 이미 지수 개념을 창안해냈던 것이다.

또 아르키메데스는 당시에 알려져 있던 아리스타르코스의 태양중심설을 기준으로 우주의 크기를 정했다. 아리스타르코스의 태양중심설 자체는 전해지지 않고, 아르키메데스의 ‘모래알 계산자’ 그의 태양중심설을 설명하는 글 가운데 오늘날까지 전해오는 유일한 것이다. 아리스타르코스가 지구와 별들 사이의 거리를 따로 밝히지 않았기 때문에 아르키메데스는 이를 대략적으로 추정할 수 밖에 없었다. 아르키메데스가 나름대로 추정한 우주의 크기는 약 2광년이었다.

이렇게 하여 아르키메데스가 구한 모래알 개수는 자그마치 8X10^63 개였다. 이는 지구상 모래알 개수인 10^22개보다 엄청 많은 숫자이다. 하지만 우주를 가득 채우기에는 턱도 없는 숫자임을 이제 우리는 안다. 현재의 팽창우주는 아르키메데스가 생각하던 크기보다 비교가 안될 정도로 크기 때문이다.

그럼 실제로 현재의 이 우주를 모래알로 가득 채우려면 몇 개의 모래알이 필요할까? 편의상 모래알 사이의 공간은 무시하기로 하자.

먼저 모래알의 크기부터 정하자. 보통 지름 2~0.2㎜까지의 모래를 조사(粗砂), 0.2~0.02㎜사이의 모래를 세사(細砂)라고 한다. 우리는 이중에서 세사를 택해, 그 지름을 편의상 0.1mm로 정하기로 하자.

다음으로, 우주의 크기는 얼마나 되는가? 빅뱅에서 시작된 우주의 나이가 138억 년이니까, 그것을 반지름으로 한다면 지름은 276억 광년인데, 빅뱅 초창기에 인플레이션으로 광속보다 더 빨리 팽창되어 현재 대략 950억 광년 크기로 나와 있다.

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▲ 독일 베를린 아르켄홀트 전망대에 있는 아르키메데스의 동상. 게르하르트 티엠의 1972년 작품.
독일 베를린 아르켄홀트 전망대에 있는 아르키메데스의 동상. 게르하르트 티엠의 1972년 작품.


그럼 우주 크기를 km단위로 나타내보자.

1광년=300,000kmX3,600(초)X24(시간)X365(일)=9,460,800,000,000km(약 10^13km)

우주 지름=95,000,000,000광년X10^13km=95X10^22km(약 10^24km)

모래알 지름=0.1mm=10^-7km

위 둘을 나누면; 10^31배

우주의 지름은 모래알 지름의 10^31배라는 답이 나왔다. 부피는 길이의 3제곱이므로 (10^31)^3=10^93(개)


즉, 1구골(10^100)의 1/10^7인 10^93개의 모래알이면 온 우주를 모래로 빈틈없이 가득 채울 수 있다는 말이다. 이는 동양권 숫자의 가장 큰 단위인 무량대수(無量大數/10^68)보다도 10^25배 크고, 아르키메데스의 모래알 수보다는 무려 10^30배나 많은 숫자이다.

그러나 만 단위 수도 잘 사용하지 않았던 고대에 아르키메데스가 우주를 가득 채울 모래알 수를 계산해냈다는 것은 대단한 업적이 아닐 수 없다.

고대세계에 아르키메데스 외에도 모래알을 계산한 사람들이 있었는데, 바로 우리가 쓰는 인도-아라비아 숫자를 창안한 인도인들이었다. 고대 인도인은 ‘부처가 태어나고 유행(遊行)한 곳이라고 전하는 갠지스 강(恒河)의 모래알 개수를 10^52개라고 계산했다. 그래서 이 숫자의 이름이 ‘항하사(恒河沙)’이다.

이 숫자의 크기를 따져보기 위해, 먼저 모래알 하나와 지구와의 크기 비율을 알아보기로 하자.

지구 지름=13,000km

모래알 지름=10^-7km

둘을 나누면; 13X10^10(1.3천억 배)

그 3제곱은 약 10^33

지구를 모래알로 다 채우려면 약 10^33개의 모래알이 필요하다. 따라서 1항하사(10^52)의 모래알은 지구 1000경(10^19) 개를 채울 수 있는 양이다. 고대 인도인들의 과장이 좀 지나쳤음을 알 수 있다. 숫자의 위대함이 팍 느껴지는 대목이다. 세계는 수로 표현될 수 있다고 믿고 만물의 근원은 수라고 말한 피타고라스가 맞았다.

이광식 통신원 joand999@naver.com  

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