Biz 이해를 반물질, 초전도 상식

원자 (Atom)는 원자핵과 전자로 구성되어 있으며, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. (참조)
원소 (Element)는 원자를 이루는 가장 작은 단위로 원자의 성질을 결정짓는다. 
원소의 원자번호는 원자핵을 구성하는 양성자 수로 결정한다.
원자는 양전하는 띠는 양전자와 음전하를 띠는 전자가 동일한 수로 구성되어 있어 중성이다.

 

Antimatter

 

반물질(反物質, antimatter)은 반입자의 개념을 물질로 확대시킨 것이다. 물질이 입자로 이루어져 있듯이 반물질은 반입자로 구성되어 있다.

특수 상대성 이론과 양자 역학을 접목시킨 폴 디랙의 이론에 따르면, 우주를 이루고 있는 기본 물질인 양성자, 전자와 같은 소립자들은 질량 등 물리적 성질은 동일하지만 자신과는 반대의 전하를 갖는 반(反)입자를 갖는다. 즉 양성자의 전하가 양(＋)인 반면 반입자인 반양성자의 전하는 음(－)이고, 전자의 전하가 음(－)인 반면에 그에 해당하는 반입자인 양전자의 전하는 양(＋)이다. 만약 입자와 반입자 또는 물질과 반물질이 만나게 되면 빛의 형태로 많은 에너지를 내며 둘 다 소멸한다. 역으로 고에너지 입자들이 반응하면서 입자-반입자 쌍이 생성되기도 한다.

 

Annihilation of a electron and a positron creating an off shell photon which decays into an new electron positron pair  전자와 양전자의 소멸은 새로운 전자 양전자 쌍으로 붕괴하는 오프 쉘 광자를 생성합니다.

 

보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 반입자(반양성자, 반중성자, 양전자 등)로 구성되는 물질을 말한다. 입자와 반입자가 만나면 상호작용하여 감마선이나 중성미자로 변하기 때문에 존재를 확인하기 어렵다. 실제로 확인한 반물질은 반중성자, 반양성자, 반중양성자 등이 있다. 또한 반물질과 물질이 서로 접촉하면 쌍소멸이 일어나고 막대한 양의 에너지가 발생한다.(1kg당=TNT 43Mt).  특수상대성이론(E=mc²)에 따르면 반물질 1㎏이 내는 에너지는 약 250억kWh 다. 전 세계에서 90분간 소비되는 에너지양을 합친 것과 같은 규모이고, 부연하면 1g의 반물질이 물지로가 만나 소멸되면 히로시마 원자폭탄의 2배 위력이다.

 

쌍소멸 ((mutual annihilation)이 일어날때의 막대한 양의 에너지를 이용하여 폭탄 혹은 대체에너지등으로 이용할 수도 있다. 예로 반물질을 이용해 폭탄 제조가 가능하다면 수소폭탄보다 위력이 1000배는 강력할 것으로 예상된다. 그러나 제조 과정이 비효율적이기 때문에 실제로 제조가 불가능할 것이라는 의견도 제시된다.

또한 반물질과 물질이 만날때 생성되는 쌍소멸의 에너지는 엄청나기 때문에 여러 분야에서 방대한 에너지원이 될 수 있다.

 

수소 원자의 반물질은 반수소 원자이다. 실제로 CERN에서 5만 개 이상의 반수소 원자(양전자 1개, 반양성자 1개)의 합성에 성공했다. 반수소 원자는 전하량을 가지지 않는 전기적 중성상태이기 때문에 소멸되는 것을 늦추기 위해 액체 헬륨을 이용하여 내부의 온도를 0.5K으로 만들어 입자의 소멸을 늦추었다. 반수소 원자는 16분간 지속된후 사라졌다. 세상에서 가장 귀한 물질도 반물질이다.

 

위사진) 스위스 제네바 근교에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)는 세상에서 가장 작은 물질(입자)을 찾기 위해 세상에서 가장 거대한 실험장비(거대강입자가속기·LHC, 둘레 27㎞)를 돌리는 곳이다. 작디작은 입자 속에 숨은 크나큰 우주의 비밀을 풀기 위해서다. 과학자들은 열흘 전 CERN이 “16분간 포착에 성공했다”고 발표한 반물질(反物質·antimatter)을 그 대표적인 사례로 꼽는다 . 

물질은 원자, 원자는 입자(양성자·중성자·전자)로 구성된다. 반물질은 입자와 성질은 같고 전하값은 반대인 반(反)입자(반양성자·반중성자·양전자)로 된 물질이다. 우주 탄생의 순간(빅뱅)엔 같은 수의 입자와 반입자가 만들어졌다. 하지만 현재 우리 주위엔 입자·물질뿐이다. 반입자·반물질이 사라진 이유는 입자물리학의 최대 미스터리 중 하나다.

유럽입자물리연구소CERN은 현재 2개의 양성자 빔을 광속(光速)에 가깝게 가속, 정면충돌시키는 실험을 하고 있다. 빅뱅 상황을 ‘인공적으로’ 재현하는 것이다. 이를 통해 우주 탄생의 신비를 밝히는 한편, 그 진화 과정을 규명하는 게 목표다. 기본 모형 입자 가운데 유일하게 발견되지 않은 힉스 입자(일명 ‘신의 입자’)를 찾는 게 전자라면, 빅뱅 직후 사라진 반물질을 연구하는 게 후자다.

 

현재 CERN의 반물질 생산 속도로는 반물질 1g을 만드는데 2백만년이 걸린다고 한다.

반물질 1g의 제조 비용은 7경 1875조 5000억 원이다. 이는 반물질 1g을 제조하기 위해 필요한 모든 제반시설에 대한 건설비용, 인력비 등을 포함한 액수이고, 오가네손에 이어 세상에서 두 번째로 비싼 가격이다.

 

* 오가네손(Oganesson)은 원자 번호 118번의 초우라늄 원소로 비활성 기체의 여러 성질을 공유할 것으로 생각되며, 화학적 성질은 라돈과 비슷할 것이다. 라돈처럼 방사성 기체일 것이며, 유일한 반도체 기체로 추정된다.

 

Superconductivity

 

초전도 현상(超傳導現象,  superconductivity) 또는 초전도체(superconductor)는 임계 온도(critical temperature,Tc) 이하의 초저온에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물 등의 전기 저항이 갑자기 없어져 전류가 장애 없이 흐르는 현상이다.

 

Diagram of a solenoid and its magnetic field lines. The shape of all lines was computed according to the laws of electrodynamics.

 

어떤 물질이 전기 저항이 0이 되고 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성하는 반자성(diamagnetism)을 띄게 되는 현상 또는 그러한 물체를 가리킨다. 따라서 외부 자기장을 밀쳐내거나 전기 전류가 흐르는데 저항이 발생하지 않는 등의 성질을 보이는 것으로 대체로 그 물질의 온도가 영하 240˚C 이하로 매우 낮거나 구리나 은과 같은 도체의 경우에는, 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이 어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다. 절대영도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0이 아닌 값을 가지게 된다. 반면 초전도체의 저항은 온도가 "임계 온도" 값보다 아래로 내려가면 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다. 강자성이나 원자 스펙트럼 준위처럼, 초전도는 양자 역학적인 현상이다. 초전도는 단순히 고전 물리의 이상적인 "완전 도체"(perfect conductor) 개념으로는 설명될 수 없는 현상이다.

 

영구 자석 위로 부상하는 고온(액체 질소 냉각) 초전도체(TU Dresden)

 

초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어나고, 다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다. 한편 초전도는 금이나 은과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며, 순수한 강자성 금속에서도 나타나지 않는다.

1986년에는 구리-페로브스카이트(perovskite) 계 세라믹 물질에서 임계 온도가 90 K(켈빈)을 넘는 고온 초전도체가 발견되었는데, 이 때문에 초전도체 연구가 다시 활성화되는 계기가 되었다. 순수한 연구 주제로서, 이런 물질들은 초전도체를 설명하는 기존 이론으로는 설명되지 않고 있다. 게다가, 초전도 상태가 경제적인 면에서 중요한 기준이 되는 온도인 액체 질소의 비등점 (77 K)보다 높은 온도에서도 나타남에 따라, 좀 더 많은 상업적 응용 가능성이 열리게 되었다.

 

응용

초전도 자석은 이제까지 알려진 가장 강력한 전자석이며 MRI이나 NMR 기계, 질량 분석기, 입자 가속기에 쓰이는 광선 조타 자석 등에 사용된다. 이들은 또한 입자들을 입자들이 가진 자성에 따라 분리하는 자기 분리(magnetic separation)에 쓰일 수 있는데, 이런 것들은 안료 산업 등에 쓰이곤 한다.

초전도체는 또한 디지털 회로, RF 회로, 마이크로파 회로, 휴대 전화 기지국을 만드는 데 사용된다.

초전도체는 지금까지 알려진 가장 민감한 자력계인 초전도 양자 간섭 장치의 구성 단위인 조지프슨 접합(Josephson junction)을 만드는 데 사용된다. 조지프슨 장치들은 국제단위계의 단위 볼트를 정의하는 데에 사용된다. 작동하는 방식에 따라, 조지프슨 접합은 광자 검출기나 혼합기로 사용된다. 일반 상태에서 초전도 상태로 전이할 때의 큰 저항 차이는 저온 열량계나 미소열량계의 온도계나 광자 검출기를 만드는 데 사용될 수 있다.

(초전도 물질을 사용했을 때) 장치의 상대적인 효율성, 크기, 무게에서의 이점이 초전도 물질을 사용함으로 인해서 발생하는 추가적인 비용보다 더 큰 곳에서 새로운 시장이 성장하고 있다.

전망이 있는 응용 예로는 고성능 변압기, 전력 저장 장치, 전력 전달기, 전기 모터, 자기 부상 장치, 과도 전류 제한기 등이 있다. 그러나 초전도는 변화하는 자기장에 민감하기 때문에 교류를 사용하는 응용 예들(즉, 변압기)을 만드는 것은 직류를 사용하는 것에 비해 좀 더 어려울 것으로 예상된다.

이용

초전도체는 자기장을 차단하는 특성이 있어 자석 위에 가까이 가져가면 자석위에 떠 있게 되는데, 이와 같은 현상을 마이스너 효과라고 한다. 또, 초전도체는 저항이 없어 전류가 흘러들어도 전력 손실이 전혀 발생하지 않아, 대량의 전기를 손실없이 저장하거나 송전이 가능하다. 뿐만 아니라 초전도체는 매우 센 전류를 흐르게 하여 강한 자기장을 얻을 수 있으므로 이를 이용하여 자기 부상 열차에 사용이 가능하다.

분야에 따라 분류해 보면, 다음과 같은 활용 분야들이 있다.

• 에너지 : 차세대 초전도 핵융합 외 MHD 발전 등
• 전력: 초전도에너지저장(SMES), 초전도 변압기, 초전도 케이블, 초전도 발전기 등
• 교통: 초전도 자기부상열차, 초전도 전자 추진 선박, 초전도 전기자동차 등
• 의료ㆍ과학: 자기공명영상, 핵자기 공명, 뇌 자기 검출기, 암 치료 사이클로트론, 높은 장세기 자석(high field magnet) 등
• 환경ㆍ산업: 핵 폐기물 처리가 가능한 초전도 자기 분리, 입자가속기 등
• 전자ㆍ정보: 초전도 슈퍼컴퓨터, 초전도 양자 간섭 장치

 

마이스너 효과를 보여주는 사진:  초전도체 는 전기저항이 없는 물체를 말한다. 초전도 현상은 보통 매우 낮은 온도에서 나타나며, 온도가 올라가면 사라진다. 초전도라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이  마이스너 효과 에 의한 공중부양이다. 독일의 과학자 프리츠 발트 마이스너( Fritz   Walther   Meissner )가 발견한 현상으로 발견자의 이름을 따라 마이스너 효과( Meissner   effect )라 이름 지었다. [네이버 지식백과] 초전도체 동영상 - 공중 부양 (이미지 사이언스, 김찬중)

 

Anti-gravity

반중력(反重力, anti-gravity)은 중력으로부터 자유로운 물체 또는 장소가 만들어내는 가설이다.

반중력은 다른 자연계의 반대되는 힘에 의해 중력이 무효화 되는 것을 말한다. 반중력은 기술적인 방법을 통하여 장소 또는 물체에 중력이 존재하지 않거나 적용되지 않도록 하는 방법을 뜻한다.

일부 학자들은 반중력 장치가 있으면 시간여행이 가능하다고 한다.

 

뉴턴의 만유인력 법칙에서 수학적으로 처음으로 정확하게 설명된 중력은 알 수 없는 방식에 의해 외부 힘을 전달하는 것이었다. 그러나 20세기 초 뉴턴의 중력이론 모델은 더 일반적이고 완벽하다고 알려진 일반상대성이론에 의해 대체되었다.

일반상대성이론에서의 중력은 전통적인 의미에서의 "힘"이 아니라, 우주 자체의 기하학의 결과이다. 이런 기하학상의 풀이방법은 항상 "끌어당기는 힘"을 낳는다. 따라서 일반상대성이론하에서는 애초에 존재하지 않거나 불가능하다고 여겨지는 인공적인 상황을 가정하지 않는 한에는 반중력은 실존하기 어려워 보인다.

한편 "반중력"이라는 용어는, 비록 실제로 중력에 반하는 힘은 아니지만, 일반상대성이론에 대한 특정한 풀이방법을 기반으로 반작용이 없도록 가정한 추진력을 일컫는 데에 사용되기도 한다.

현재 일반상대성이론을 보강하거나 대신하려는 매우 많은 이론이 있고, 이 과정에서 반중력과 연관된 주장들이 나타났다. 그러나 현재 일반적으로 인정된 물리적 이론들과의 일치 여부, 실험을 통한 입증 여부 등을 고려하면 학술적 의미의 반중력은 실제로 존재하지 않을 확률이 높은 것으로 알려져 있다.

다만, 우주가 팽창하는 힘을 반중력으로 규정하는 경우가 있다. 암흑에너지는 우주를 팽창 시키는 일종의 반중력이고, 암흑물질은 서로 중력으로 끌어당겨 이 팽창을 억제하는 브레이크와 같은 역할을 하며, 현재 암흑에너지가 더 많은 상태이기 때문에 우주가 팽창 상태에 있음이 밝혀졌다[1][2].

상상 속의 반중력

과학 소설

반중력은 과학 소설에서 자주 나오는 개념이며, 특히 우주선의 추진력에 사용되는 것으로 나온다. 그 개념은 H.G의 First Men in the Moon에서 "Cavorite"로 처음 확실하게 등장하였다. 그리고 그 이후로도 상상속의 기술로써 자주 나타나게 되었다. 아직 애니메이션에서나 등장하는 반중력 제어장치 라는 것이 있는데 이를 사용하게 되면 지구에서도 엄청난 크기의 추진체가 필요없이 최소한의 추진력만으로 지구 대기권밖으로 우주선을 보낼 수 있다는 설정이 나온다.

게임

PC용 게임 《요절복통 기계》(영어: The Incredible Machine)에서는 반중력 판이 게임 내에 등장한다. 반중력 판을 사용하면, 그 위를 지나가는 물체는 기존 중력처럼 아래로 떨어지는 것이 아니라, 중력과 동일한 가속도로 위로 상승한다[3].

만화

대한민국의 만화가 고유성은 1970년대에 만화 《로보트킹》을 통해 반중력장치를 선보였다[4].

실제 우주선은 지구탈출속도를 내기위해 엄청난추진력으로 총알처럼 지구를 빠져나가지만 애니메이션에 나오는 다양한 크기의 우주선은 천천히 우주로 나가는 모습을 볼 수 있는데 그것이 바로 반중력제어장치를 이용해서 우주선이 지구를 탈출하는 모습으로 자주 그려진다.

대중문화에서의 반중력

미국의 가수 마이클 잭슨이 공연 도중 중력을 무시하는 듯이 예리한 각도로 무대에 서있는 동작을 선보인 적이 있으며, 이를 소위 반중력 춤(영어: Anti-gravity lean)이라고 부른다. 실제로 마이클 잭슨이 이 춤과 관련된 장치를 직접 설계하고 특허 출원을 받은 적이 있다[5].