눈송이에서 복잡한 대칭 및 프랙탈 패턴의 형성은 물리적 시스템에서의 출현을 예시합니다. 크레딧: Unsplash/CC0 퍼블릭 도메인

수십 년 동안, 우주론자들은 우주의 대규모 구조가 프랙탈(fractal)인지, 즉 규모에 상관없이 동일하게 보이는지 궁금해했습니다. 그리고 대답은 '아니오, 그렇지 않습니다'입니다. 그러나 어떤 면에서는 그렇습니다.

우리 우주는 상상할 수 없을 정도로 광대하며 약 2조 개의 은하를 포함하고 있습니다. 이 은하들은 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라 점점 더 큰 일련의 구조로 조립되어 있습니다. 기껏해야 12개 정도의 은하를 포함하는 은하군들이 있습니다. 그런가 하면 천 개 이상의 은하가 있는 성단이 있습니다. 그 위에는 초은하단(supercluster)이 있는데, 이 초은하단들은 수백만 광년 동안 구불구불합니다.

이것으로 이야기의 끝입니까?

20세기 중반에 브누아 만델브로트(Benoit Mandelbrot)는 프랙탈의 개념을 주류로 끌어들였습니다. 만델브로트가 프랙탈이라는 개념을 창안한 것은 아니지만(수학자들은 오랜 세월 동안 자기 유사 패턴을 연구해 왔습니다). 프랙탈이라는 단어를 만들어 냈고 이 개념에 대한 현대의 연구를 이끌었습니다. 프랙탈의 기본 개념은 단일 수학 공식을 사용하여 모든 스케일에서 구조를 정의할 수 있다는 것입니다. 즉, 프랙탈을 확대 및 축소할 수 있으며 여전히 동일한 모양을 유지합니다.

프랙탈은 나뭇가지에서 눈송이의 가장자리에 이르기까지 자연의 모든 곳에 나타납니다. 그리고 만델브로트 자신도 우주가 프랙탈인지 궁금해했습니다.

그리고 어떤 면에서는, 우리가 보는 것이 바로 그것입니다: 우주에서 점점 더 큰 규모로 존재하는 구조들의 위계입니다. 그러나 그 위계질서는 끝이 있습니다. 대략 3억 광년 떨어진 특정 규모에서 우주는 균질화되는데, 이는 더 큰 구조가 없고 우주가 그 규모에서) 장소마다 거의 같다는 것을 의미합니다.

우주는 분명히 프랙탈이 아니지만, 우주 거미줄의 일부는 여전히 흥미로운 프랙탈과 같은 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 은하와 은하단을 수용하는 "헤일로(halos)"라고 불리는 암흑 물질 덩어리는 중첩 구조와 하위 구조를 형성하며, 헤일로는 하위 헤일로를 보유하고, 그 안에는 차하위 헤일로가 있습니다.

반대로, 우리 우주의 공허는 완전히 비어 있지 않습니다. 그들은 몇 개의 희미한 왜소 은하를 포함하고 있습니다. 그리고 그 몇 개의 은하들은 미묘하고 희미한 형태의 우주망으로 배열되어 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션에서, 그 구조 내의 하위 공극은 그들 자신의 발포성 우주 그물을 포함하고 있습니다.

따라서 우주 전체가 프랙탈이 아니며 Mandelbrot의 아이디어가 유지되지 않았지만 여전히 우리가 보는 거의 모든 곳에서 프랙탈을 찾을 수 있습니다.

이상의 기사는 2024년 12월 24일 Phys.org에서 게재한 “Is the universe a fractal?”제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.

* 원문정보 출처 : Is the universe a fractal?

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