[통합과학] 수소와 헬륨 질량비 3 : 1 / 빅뱅 vs 정상 우주론

 

자, 이번 수업에서는
수소와 헬륨의 질량비가 왜 3:1이 되는지,
그리고 빅뱅 우주론과 정상 우주론의 차이에 대해 알아보자.

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1. 양성자와 중성자의 비율 변화

우주 초기에 쿼크들이 결합해서
양성자와 중성자가 만들어졌어.

 

이때는 두 입자 간의 전환 반응이 자유롭게 일어났기 때문에
양성자:중성자 비율은 거의 1:1이었지.

 

하지만 시간이 지나면서 우주의 온도가 점점 낮아지고,
에너지가 부족해지자,
중성자 → 양성자로 바뀌는 반응만 일어나게 되었어.

 

즉, 양성자의 수는 점점 늘고, 중성자의 수는 줄어든 거지.

그래서 헬륨 원자핵이 형성되기 직전에는,
양성자 : 중성자 = 7 : 1이 되었어.

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2. 수소-헬륨 질량비 계산 과정

그 다음, 중성자 2개 + 양성자 2개가 만나
→ 헬륨 원자핵 1개를 만들어.

 

그러면 남은 양성자들은 별다른 반응 없이
→ 그대로 수소 원자핵이 되는 거야.

 

이렇게 계산해보면,

• 수소 원자핵 : 헬륨 원자핵 = 12 : 1 (개수 기준)
• 그런데 수소 4개와 헬륨 1개의 질량이 거의 같기 때문에,

결국 수소 질량 : 헬륨 질량 ≈ 3 : 1이 되는 거야.

 

이건 이론적으로 계산된 비율인데,
실제로 관측된 값과 거의 완벽하게 일치해.

그래서 이 결과는 빅뱅 이론을 지지하는 중요한 증거가 되는 거지.

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3. 빅뱅 우주론 vs 정상 우주론

이제 두 가지 우주론을 비교해보자.

빅뱅 우주론 (가모프 주장)

• 우주는 팽창한다
• 부피는 커지지만 질량은 일정하기 때문에
  → 우주의 밀도와 온도는 점점 낮아진다

이 이론은 시간의 흐름에 따른 변화를 전제로 해.

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정상 우주론 (호일 주장)

• 이쪽도 우주의 팽창을 인정해.
• 하지만 부피가 커지는 만큼 질량도 새로 만들어진다고 주장해.
  → 그래서 우주의 밀도와 온도는 항상 일정하다고 본 거야.

즉, "우주는 원래부터 지금처럼 생겨먹었고, 앞으로도 똑같다." 라는 이론이지.

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4. 어떤 이론이 더 타당할까?

현재는 어떤 이론이 인정받고 있을까?

 

당연히!
우주 배경 복사, 수소-헬륨 질량비 등
수많은 관측 결과가 빅뱅 이론과 정확히 들어맞기 때문에,

 

정상 우주론은 현재 거의 폐기된 상태고,
빅뱅 우주론이 가장 타당한 이론으로 받아들여지고 있어.

 

 

*** [통합과학] 수소 : 헬륨 질량비 예측 / 정상 우주론 백지 테스트

016_005_수소_헬륨_질량비_백지테스트.pdf