거의 고른 먼지가 어떻게 거미줄이 될까?

먼지를 거의 고르게 뿌려 두면 그대로 고르게 남을 것 같지요. 조금 더 빽빽한 곳이 있어도 2% 차이라면 없는 것이나 마찬가지일 테니까요. 그런데 중력은 조금 더 빽빽한 곳이 이웃을 조금 더 세게 끌어당기는 힘이라, 작은 차이를 스스로 키웁니다. 우주의 은하들도 고르게 흩어져 있지 않고 거대한 빈 공간을 둘러싼 실(필라멘트)과 매듭 모양으로 늘어서 있다고 알려져 있어요. 정말 그 작은 차이만으로 거미줄이 짜일까요? 처음 요철과 팽창 속도를 바꿔 보세요.

모델은 이렇게 움직입니다

직접 돌려보기

올리면 처음부터 더 울퉁불퉁해서 거미줄이 일찍 드러나요
올리면 서로 멀어지려는 브레이크가 세져서 뭉치기 어려워요
큰 물결이면 큰 빈 공간, 잔물결이면 작은 덩어리가 많이 생겨요

① 먼지가 거미줄이 되는 상자 3D

빛나는 점 하나가 먼지 알갱이 하나입니다. 색은 그 자리가 얼마나 빽빽한지를 나타내요. 처음엔 상자 전체가 고르게 푸르스름하다가, 실처럼 이어진 하늘빛 줄기와 금빛 매듭, 그 사이의 텅 빈 곳이 차례로 드러납니다. 거의 고른 동안은 화면을 빨리 감아요.

평균보다 성긴 곳실 같은 줄기 (평균의 1~10배)덩어리 (평균의 10배 넘게)

드래그로 상자 돌려 보기 · 휠이나 두 손가락으로 확대 · 가만히 두면 카메라가 천천히 돕니다(끌 수 있어요) · 휴대폰에서 세로로 쓸면 페이지가 내려갑니다. 휴대폰에서는 알갱이 셋 중 하나만 그립니다(계산은 모두 같이 합니다).

② 빈 공간은 얼마나, 가장 큰 덩어리는 얼마나

재생이 지난 시점까지만 그립니다. 파란 선은 빈 공간 비율, 주황 선은 가장 큰 덩어리에 든 먼지의 비율, 초록 점선은 빈 공간이 처음 10%를 넘은 때입니다.

③ 작은 요철은 얼마나 빨리 커질까

재생이 지난 시점까지만 그립니다. 세로축이 로그 눈금이라 곧은 선은 "같은 시간마다 몇 배씩" 커진다는 뜻입니다. 회색 점선은 요철이 작을 때의 이론(지수로 자람)이고, 보라색 선이 실제 시뮬레이션입니다. 요철이 1쯤으로 커지면 이론에서 벗어납니다.

④ 덩이마다 먼지가 얼마나 있나 (지금 vs 처음)

2×2×2칸 덩이 4,096개를 먼지 양(평균 = 1)으로 나눠 센 분포입니다. 처음(회색 선)엔 거의 모두 1 근처에 몰려 있다가, 시간이 지나면 대부분은 평균보다 성기고 소수 덩이에 먼지가 몰립니다. 가로축은 로그 눈금입니다.

⑤ 처음 요철이 크면 (집계: 미리 돌린 12판)

기본 설정에서 처음 요철 크기만 0.5·1·2·4%로 바꿔 각각 3판씩 끝(t = 9.6)까지 돌린 평균입니다. 재생과 상관없이 미리 계산한 집계예요. 막대 아래 숫자는 덩어리 수입니다.

계산 중…

⑥ 요철의 결이 다르면 (집계: 미리 돌린 9판)

같은 방식으로 요철 크기 2%에서 결만 바꾼 집계입니다. 큰 물결 위주이면 무엇이, 잔물결 위주이면 무엇이 먼저 생기는지 보세요.

계산 중…

⑦ 팽창이 빠르면 (집계: 미리 돌린 15판)

같은 방식으로 팽창 속도만 0·50·100·150·200%로 바꾼 집계입니다. 너무 느리면, 알맞으면, 너무 빠르면 각각 어떻게 되는지 보세요.

계산 중…

이 결과가 말하는 것, 말하지 않는 것

말하는 것:

상세 설명

말하는 것: 기본 설정(처음 요철 2%, 섞인 결, 팽창 100%)의 첫 판에서 밀도 요철은 t = 4에 0.18, t = 6에 0.67로 처음엔 이론처럼 같은 시간마다 일정한 배수로 커졌고, 1을 넘긴 뒤 빠르게 덩어리가 생겼습니다. 끝(t = 9.6)에는 처음보다 691배 울퉁불퉁해져 빈 공간이 57%, 가장 큰 덩어리가 먼지의 19%, 덩어리가 26개였고, 덩이의 90%가 평균보다 성겼습니다. 3판 평균으로 처음 요철이 0.5%면 끝까지 빈 공간이 0%였고, 1%면 16%(드러난 때 t = 9.5), 2%면 53%(t = 8.2), 4%면 76%(t = 7)였습니다. 결이 큰 물결 위주면 빈 공간 68%·덩어리 11개·가장 큰 덩어리 34%, 잔물결 위주면 빈 공간 20%·덩어리 58개·가장 큰 덩어리 5%였습니다. 팽창이 50%로 느리면 가장 큰 덩어리가 63%(덩어리 7개)로 몇 개로 뭉쳐 버렸고, 150%로 빠르면 빈 공간이 2%로 끝까지 거의 고르게 남았습니다(200%면 0%). 팽창이 아예 없으면(0%) 덩어리 2개, 가장 큰 덩어리 48%였습니다. 이론 확인: 작은 물결 하나가 자라는 빠르기는 이론 1.000·0.618·0.414(팽창 0·100·200%)에 시뮬레이션 1.028·0.635·0.428로 3% 안팎에서 맞았습니다.

말하지 않는 것:

상세 설명

말하지 않는 것: 이 모델은 중력과 "팽창 브레이크"만 넣은 장난감 모델이며, 실제 우주의 거미줄이 정확히 이렇게 만들어졌다고 단정하지 않습니다. 실제 우주의 팽창은 상자 자체가 커지고 시간에 따라 빠르기가 바뀌지만, 여기서는 상자가 그대로이고 브레이크 세기가 일정합니다. 암흑 물질과 보통 물질(가스)의 차이, 가스의 압력과 별·은하의 탄생, 암흑 에너지는 없습니다. 칸 하나보다 작은 구조는 흐릿하게만 나오고, 팽창이 아예 없으면 덩어리가 서로 지나치며 출렁여 오히려 덜 뭉쳐 보일 수 있습니다. 시간·거리·팽창 속도는 모두 이 모델의 무차원 단위이고, 숫자는 실제 우주의 관측값이나 예측이 아니라 이 모델에서 나온 예시입니다.

이론적 근거와 구현 메모