과학 포털 iKAOS

12 Contents

[연구뭐하지?] 2차원 물질을 레고처럼 켜켜이 쌓으면 일어나는 현상, 양자물질 연구_이지은 교수 | 서울대학교 “2차원 양자물질 연구실”

2차원 물질은 그래핀처럼 원자 한 층 수준의 극도로 얇은 두께를 가진 물질을 의미합니다. 이러한 물질들은 단순히 얇다는 점을 넘어, 마치 레고 블록을 쌓듯이 서로 다른 종류를 켜켜이 쌓아 올림으로써 자연계에 존재하지 않는 새로운 인공 구조체를 만들어낼 수 있다는 매력이 있습니다. 연구자들은 이처럼 새롭게 탄생한 물질군에서 나타나는 독특한 물리적 현상을 탐구하며, 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 물질의 가능성을 실험적으로 증명해 나가고 있습니다. 특히 응집물질물리학 분야에서는 이러한 2차원 물질을 이용해 소자를 제작하고 그 특성을 정밀하게 측정하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 2차원 물질 연구의 핵심 중 하나는 광학적 실험 방법을 통해 물질의 특성을 이해하는 '2D 광학' 분야입니다. 레이저를 물질에 조사한 뒤 거기서 나오는 빛을 분석하면, 물질 내부의 전자가 가진 스핀이나 밸리와 같은 양자 역학적 특성을 파악할 수 있습니다. 특히 어떤 2차원 물질은 양자화된 빛을 내뿜는 '단일 양자 광원'의 역할을 하기도 합니다. 이러한 특수한 광원은 미래의 핵심 기술인 양자 컴퓨터나 양자 통신을 구현하는 데 필수적인 요소로 꼽히며, 이를 양자 기술에 어떻게 응용할 수 있을지에 대한 가능성 연구가 심도 있게 이루어지고 있습니다. 양자 컴퓨터 기술에 대한 대중의 관심은 높지만, 실제 기술의 완성도는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 많은 이들이 양자 컴퓨터가 실생활에 언제 보급될지, 얼마나 빨라질지 궁금해하지만, 사실 이 기술은 단순히 게임이나 일반적인 작업을 빠르게 하기 위한 용도는 아닙니다. 현재는 수학적으로 증명되지 않은 부분이 많고 연구해야 할 과제가 산적해 있어, 비유하자면 이제 막 걸음마를 뗀 신생아 단계라고 할 수 있습니다. 따라서 실제 우리가 양자 컴퓨터를 일상에서 자유롭게 사용하기까지는 앞으로도 수많은 연구와 시간이 필요할 것으로 보입니다. 연구실에서의 일상은 레이저를 쏘고 분광된 빛을 분석하는 정밀한 작업의 연속입니다. 같은 2D 광학 범주 안에 있더라도 연구자마다 다루는 물질이나 실험 방법, 분석하는 신호의 특성이 조금씩 다르기 때문에 각자의 영역에서 깊이 있는 전문성을 쌓게 됩니다. 이러한 환경은 동료들과 질문을 주고받으며 지식의 폭을 넓히는 계기가 되기도 합니다. 자신이 맡은 분야에 대해서는 연구실 내에서 가장 잘 아는 전문가라는 책임감을 느끼며 공부해야 하고, 동시에 타인의 연구에 관심을 가짐으로써 넓은 시야를 유지하는 것이 연구자로서의 중요한 자질이 됩니다. 성공적인 연구를 수행하기 위해서는 높은 집중력과 창의력이 요구됩니다. 연구 과정에서 마주하는 수많은 난관을 극복하기 위해서는 기존의 관점을 뒤바꾸는 창의적인 사고가 필수적이며, 짧은 시간 내에 효율적으로 성과를 내기 위한 몰입의 힘이 중요합니다. 때로는 고된 과정이 반복되어 힘들기도 하지만, 새로운 물리 현상을 발견하고 이를 이해해 나가는 과정은 마치 어려운 퀘스트를 하나씩 해결해 나가는 게임처럼 즐거움을 주기도 합니다. 이러한 연구의 결실은 향후 실생활에 유용한 양자 소자 개발로 이어져 인류의 삶에 기여할 수 있는 밑거름이 될 것입니다.

이지은

카오스재단연구뭐하지

물리학

[강연] 양자역학 그리고 초끈의 눈으로 바라 본 우주 그리고 공간_by이성재 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 9강 | 9강

인류는 아주 오래전부터 밤하늘을 바라보며 우주의 본질을 탐구해 왔습니다. 초기에는 종교적이나 직관적인 이해에 의존했지만, 과학의 발전과 함께 수학이라는 언어로 우주를 설명하기 시작했습니다. 케플러는 정다면체를 이용해 행성의 운동을 설명하려 했고, 이후 뉴턴과 아인슈타인은 이를 더욱 체계화했습니다. 특히 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 정의하며, 고전 자유 입자가 공간의 곡률을 따라 가장 짧은 경로인 측지선을 이동한다는 사실을 밝혀냈습니다. 고전 자유 입자는 국소적인 경로만을 따라가기에 공간 전체의 구조를 파악하는 데 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위해 도입된 것이 양자 자유 입자입니다. 양자역학에서 입자는 파동 함수로 표현되며 공간 전체에 퍼져 존재할 확률을 가집니다. 이러한 전역적인 성질 덕분에 양자 자유 입자는 공간의 전체적인 모습을 느끼게 됩니다. 슈뢰딩거 방정식을 통해 얻은 양자화된 에너지 스펙트럼은 원자를 정의하듯 공간의 고유한 특성을 반영하며, 이를 통해 공간의 형태를 특정하려는 시도가 이어졌습니다. 하지만 에너지 스펙트럼만으로 공간의 모습을 유일하게 결정할 수 있다는 믿음은 수학적 반례에 의해 깨어지게 됩니다. 서로 다른 모양의 공간이 동일한 에너지 스펙트럼을 가질 수 있다는 사실이 증명되었기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 물리학자들은 실망하지 않았습니다. 양자역학에는 고전역학에서 볼 수 없는 보손과 페르미온이라는 독특한 입자의 구분이 존재하기 때문입니다. 특히 동일한 입자를 구별할 수 없는 양자적 특성과 파울리 배타 원리는 공간을 이해하는 새로운 열쇠가 되었습니다. 스핀이라는 양자적 성질을 가진 입자를 공간에 던지면, 그 공간에 구멍이 있는지와 같은 위상학적 성질을 파악할 수 있습니다. 에드워드 위튼은 초대칭 양자 자유 입자의 바닥 상태를 조사함으로써 현대 기하학의 핵심인 오일러 지표나 아티야-싱어 지표 정리 등을 재발견했습니다. 이는 현대 기하학의 난제들이 사실상 양자역학의 문제와 맞닿아 있음을 시사합니다. 즉, 입자의 양자적 상태를 분석하는 것만으로도 우리가 직접 관측하기 어려운 공간의 복잡한 위상 구조를 수학적으로 규명할 수 있게 된 것입니다. 현대 물리학은 점입자를 넘어 양자 끈이라는 새로운 기본 단위를 제시합니다. 초끈 이론에 따르면 우주는 우리가 경험하는 4차원을 넘어 10차원의 시공간으로 이루어져 있습니다. 보이지 않는 6차원의 여분 공간은 매우 작게 말려 있으며, 끈은 이 공간을 리치 흐름 방정식을 따라 변형시킵니다. 결국 이 공간은 리치 곡률이 0인 칼라비-야우 공간으로 수렴하게 됩니다. 이 복잡한 여분 공간의 기하학적 성질은 우리 우주에 존재하는 입자의 종류와 상호작용을 결정하는 근본적인 토대가 됩니다. 양자 끈은 점입자가 보지 못하는 공간의 새로운 면모를 드러냅니다. 대표적인 현상이 T-이중성과 거울 대칭성입니다. 끈의 눈으로 보면 반지름이 큰 원과 작은 원이 동일하게 느껴지며, 위상학적으로 완전히 다른 두 칼라비-야우 공간이 물리적으로는 같은 결과를 만들어내기도 합니다. 이는 기존의 위상수학을 넘어서는 '양자 기하학'이라는 새로운 학문의 탄생을 이끌었습니다. 수학적으로는 구별되지만 끈의 관점에서는 동일한 이 기묘한 대칭성은 우주를 바라보는 우리의 인식을 근본적으로 확장시켰습니다. 수학과 물리학은 각자의 방법론으로 우주의 진리를 추구해 왔지만, 결국 하나의 지점에서 만나는 흥미로운 여정을 보여줍니다. 물리학자가 발견한 우주의 신비가 수학자의 정교한 이론이었음이 밝혀지고, 수학적 추측이 물리학의 실험적 영감이 되는 과정이 반복되고 있습니다. 이러한 학문적 교류는 우리가 아직 도달하지 못한 양자 중력의 비밀을 푸는 강력한 동력이 됩니다. 보이지 않는 차원과 미시 세계의 법칙을 탐구하는 이 여정은 앞으로도 수학과 물리의 아름다운 협력을 통해 계속될 것입니다.

이성재

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 파동 방정식, 슈뢰딩거 방정식_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 4강 | 4강

물리학은 세상을 이해하는 가장 근본적인 학문으로, 거대한 우주를 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의와 작은 것들이 모여 새로운 성질을 만드는 창발주의의 조화 속에 존재합니다. 이러한 우주의 작동 원리를 기술하는 핵심적인 도구가 바로 미분 방정식이며, 양자역학의 세계에서는 슈뢰딩거 방정식이 그 중심에 있습니다. 1925년 탄생한 이 방정식은 눈에 보이지 않는 미시 세계의 입자들이 어떻게 행동하는지를 설명하는 우주의 언어와 같습니다. 우리는 이 방정식을 통해 자유롭게 날아가는 입자의 파동 함수를 정의하고, 그 안에 숨겨진 물리적 의미를 탐구함으로써 자연의 진정한 모습을 마주하게 됩니다. 고전적인 파동인 소리나 물결은 매질의 진동을 통해 에너지를 전달하지만, 매질 자체가 멀리 이동하지는 않습니다. 반면 양자역학에서의 입자는 실제로 공간을 이동해야 하므로, 고전적인 파동 방정식만으로는 그 움직임을 온전히 기술할 수 없습니다. 슈뢰딩거는 입자의 이중성을 바탕으로 파동 함수가 만족해야 할 새로운 형태의 방정식을 고민했습니다. 그는 드브로이 관계식을 활용하여 운동량과 에너지를 연산자의 형태로 변환하였고, 이를 통해 입자의 동력학을 설명하는 체계를 구축했습니다. 이는 단순한 수학적 유도를 넘어, 입자가 파동의 성질을 동시에 지닌다는 현대 물리학의 핵심적인 통찰을 담고 있습니다. 슈뢰딩거 방정식의 핵심은 해밀토니안이라 불리는 에너지 연산자입니다. 이는 입자의 운동 에너지와 위치 에너지를 합친 것으로, 파동 함수에 작용하여 시스템의 총 에너지를 결정합니다. 특히 시간이 지나도 모양이 변하지 않는 안정적인 상태인 정상파를 찾는 과정은 원자의 구조를 이해하는 데 결정적인 역할을 합니다. 수소 원자의 경우, 전자가 느끼는 쿨롱 퍼텐셜을 방정식에 대입하여 풀면 전자의 에너지 준위를 정확하게 계산할 수 있습니다. 비록 그 계산 과정은 복잡한 특수 함수와 좌표계 변환을 필요로 하지만, 이를 통해 우리는 원자 내부의 전자가 가질 수 있는 불연속적인 에너지 상태를 명확히 이해하게 됩니다. 슈뢰딩거 방정식에는 '게이지 대칭성'이라는 묘한 우주의 비밀이 숨겨져 있습니다. 파동 함수의 위상을 임의로 변화시켜도 실제 물리적 현상인 확률 분포는 변하지 않아야 한다는 원리입니다. 놀랍게도 이 조건은 전자기학을 기술하는 맥스웰 방정식의 잉여 자유도와 완벽하게 상쇄되며 조화를 이룹니다. 전자기학이 양자역학보다 훨씬 이전에 정립되었음에도 불구하고, 그 안에 이미 양자역학적 위상 변화를 수용할 수 있는 씨앗이 심겨 있었다는 사실은 전율을 느끼게 합니다. 이러한 대칭성의 원리는 단순히 수학적 편리함을 넘어, 우주의 근본적인 힘들이 어떻게 상호작용하는지를 결정하는 강력한 가이드라인이 됩니다. 물리학자들은 양자역학을 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 통합하려는 시도를 멈추지 않았습니다. 초기의 클라인-고든 방정식은 시간에 대한 2차 미분 형태를 취했으나, 확률 밀도가 보존되지 않는 치명적인 결함이 있었습니다. 이를 해결하기 위해 디랙은 시간에 대한 1차 미분 방정식을 고안했고, 그 과정에서 숫자가 아닌 행렬을 도입하는 파격적인 선택을 했습니다. 이 디랙 방정식은 단순히 두 이론을 합친 것을 넘어, 전자의 자전 성질인 스핀과 존재조차 몰랐던 반물질의 개념을 자연스럽게 도출해 냈습니다. 이는 수학적 필연성이 실제 현실의 발견으로 이어진 현대 물리학의 가장 위대한 순간 중 하나로 평가받습니다. 입자가 여러 개인 다체 문제로 넘어가면 슈뢰딩거 방정식은 더욱 복잡해지지만, 그 안에서 새로운 물리적 현상들이 창발합니다. 대부분의 고체 물리에서 입자 간의 상호작용을 무시할 수 있는 행운이 따르지만, 초전도체와 같이 상호작용이 강한 계에서는 부분의 합 이상의 놀라운 결과가 나타납니다. 이러한 다체 물리 시스템을 이해하는 것은 현대 응집물질물리학의 핵심 과제이며, 슈뢰딩거 방정식은 그 복잡한 미로를 헤쳐 나가는 유일한 지도 역할을 합니다. 비록 수많은 입자가 얽혀 있는 방정식을 완벽하게 푸는 것은 불가능에 가깝지만, 물리학자들은 다양한 근사법과 통찰을 통해 물질의 새로운 상태를 끊임없이 예측하고 발견해 나가고 있습니다. 양자역학의 가장 심오한 지점은 파동 함수의 진화가 아니라, 측정이 일어나는 순간 발생하는 파동 함수의 붕괴에 있습니다. 슈뢰딩거 방정식은 관측 전까지 파동이 어떻게 움직이는지는 완벽하게 설명하지만, 관측 시 왜 특정 상태로 결정되는지는 답해주지 않습니다. 아인슈타인이 '으스스한 원거리 작용'이라 부르며 의구심을 가졌던 이 현상은 오늘날 양자 컴퓨터와 양자 통신의 핵심 원리로 활용되고 있습니다. 방정식의 한계를 넘어서는 이 붕괴 현상은 여전히 물리학의 거대한 숙제로 남아 있으며, 이를 이해하려는 노력은 우리가 우주를 바라보는 관점을 근본적으로 바꾸어 놓을 것입니다. 양자역학은 단순한 이론을 넘어 존재의 근원을 묻는 철학적 질문으로 우리를 인도합니다.

박권

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 양자 역학은 왜 고양이인가? 신비로운 양자 스핀의 세계 _ by이성빈ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 3강 | 3강

양자역학을 떠올릴 때 흔히 '슈뢰딩거의 고양이'를 떠올리지만, 현대 물리학에서 물질의 근본을 이해하는 핵심 열쇠는 바로 '스핀'입니다. 전자의 고유한 각운동량인 스핀은 단순히 회전하는 화살표가 아니라, 양자역학의 신비로움을 가장 잘 보여주는 물리량입니다. 모든 입자는 페르미온이나 보존이라는 분류에 따라 정수 혹은 반정수의 스핀 값을 가지며, 특히 전자는 항상 두 가지 상태 중 하나로 존재합니다. 이러한 스핀의 특성은 우리가 일상에서 사용하는 자석의 원리가 되기도 하며, 미래 기술인 양자 컴퓨터의 핵심 단위인 큐비트를 구성하는 기초가 됩니다. 스핀의 가장 놀라운 점은 관측 결과가 항상 이산적이라는 사실입니다. 고전적인 화살표라면 어느 방향으로든 기울어질 수 있지만, 양자 스핀은 어떤 축으로 측정하더라도 무조건 + 또는 -라는 두 가지 값 중 하나만 나타냅니다. 예를 들어 Z축 방향의 스핀을 X축으로 눕혀 측정하면 고전적으로는 0이 나와야 하지만, 실제 실험에서는 +1과 -1이 각각 절반의 확률로 나타납니다. 이는 양자 세계가 연속적인 값이 아닌 확률적인 상태의 중첩으로 이루어져 있음을 보여주는 결정적인 증거이며, 우리가 상식적으로 생각하는 물리적 직관을 뛰어넘는 지점입니다. 양자 스핀의 세계에서는 관측의 순서가 결과에 결정적인 영향을 미칩니다. 논리학의 명제를 실험에 대입해 보면, Z축 성분을 먼저 측정하느냐 X축 성분을 먼저 측정하느냐에 따라 전체 명제의 참과 거짓 여부가 달라지는 현상이 발생합니다. 이는 고전 역학에서는 상상할 수 없는 일로, 관측 행위 자체가 대상의 상태를 변화시킨다는 양자역학의 본질을 드러냅니다. 특정 방향의 스핀 상태를 확정하는 순간 다른 방향의 정보는 확률적인 안개 속으로 사라지게 되는데, 이것이 바로 현대 물리학의 근간을 이루는 불확정성 원리의 핵심적인 개념입니다. 이론 물리학자들은 이러한 스핀의 복잡한 거동을 설명하기 위해 행렬과 벡터라는 수학적 도구를 사용합니다. 스핀의 상태를 벡터로 표현하고, 관측 장치를 행렬로 나타내어 이들의 연산을 통해 물리적 결과를 예측하는 것입니다. 특히 두 개 이상의 스핀이 서로 상호작용을 시작하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 신비로운 현상이 나타납니다. 멀리 떨어진 두 스핀이 하나의 상태로 묶여 있어, 한쪽을 관측하는 순간 빛의 속도보다 빠르게 다른 쪽의 상태가 결정되는 이 현상은 현대 양자 정보 통신 기술의 이론적 토대가 되어 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꿀 준비를 하고 있습니다. 수많은 스핀이 모인 응집물질물리학의 세계에서는 스핀들 사이의 '눈치 보기'인 상호작용이 중요해집니다. 스핀들은 주변 이웃과 같은 방향을 보거나 반대 방향을 보려는 성질을 가지는데, 격자 구조에 따라 모든 이웃을 만족시킬 수 없는 상황이 발생합니다. 이를 '쩔쩔맴' 현상이라고 부릅니다. 예를 들어 삼각형 격자의 각 꼭짓점에 있는 스핀들이 서로 반대 방향을 향하려 할 때, 마지막 세 번째 스핀은 어느 쪽을 향해야 할지 결정하지 못하고 쩔쩔매게 됩니다. 이러한 갈등 상황은 물질 내에서 매우 복잡하고 독특한 양자 상태를 만들어내는 원동력이 됩니다. 쩔쩔맴 현상이 극에 달하면 물질은 절대영도 근처에서도 정렬되지 못한 채 '양자 스핀 액체'와 같은 기묘한 상태에 머물게 됩니다. 하지만 여기서 더욱 흥미로운 반전이 일어납니다. 보통 온도가 올라가면 무질서해지는 것이 상식이지만, 특정 조건에서는 오히려 온도가 높아질 때 열적 요동에 의해 수많은 가능성 중 하나의 질서가 선택되는 현상이 나타납니다. 이를 '무질서에 의한 질서'라고 합니다. 이는 무질서가 단순히 파괴적인 힘이 아니라, 시스템이 새로운 안정적인 상태를 찾아가도록 돕는 창의적인 역할을 할 수 있음을 보여주는 물리학의 아름다운 역설입니다. 응집물질물리학은 이처럼 10의 23승 개에 달하는 수많은 전자와 스핀들이 만들어내는 거대한 오케스트라를 연구하는 학문입니다. 이론 물리학자들은 복잡한 수식과 모델링을 통해 보이지 않는 미시 세계의 규칙을 찾아내고, 그 속에서 우주의 진리를 발견하는 희열을 느낍니다. 양자 스핀에 대한 탐구는 단순히 기초 과학의 영역에 머물지 않고, 초전도체나 양자 컴퓨터와 같은 미래 기술의 문을 여는 열쇠가 되고 있습니다. 보이지 않는 작은 스핀 하나가 거대한 물질의 성질을 결정하고 인류의 기술 문명을 진보시키는 과정은 과학이 우리에게 선사하는 가장 경이로운 장면 중 하나일 것입니다.

이성빈

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 초끈 이론과 양자 중력 _ by이성재ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 3강 | 3강

뉴턴의 만유인력의 법칙은 질량을 가진 물체 사이의 인력을 설명하며 고전 물리학의 기틀을 마련했습니다. 하지만 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌, 질량에 의해 휘어지는 역동적인 대상으로 재정의하며 중력의 본질을 새롭게 규명했습니다. 이는 시간과 공간이 독립적이지 않으며, 에너지가 곧 질량으로 치환될 수 있다는 혁명적인 통찰로 이어졌습니다. 현대 물리학은 이처럼 거시 세계를 지배하는 중력의 원리를 시공간의 기하학적 구조로 이해하며 발전해 왔습니다. 빛의 정체가 전자기파임이 밝혀진 이후, 물리학자들은 에너지가 연속적이지 않고 특정 단위로 쪼개져 있다는 '양자화' 개념을 도입하게 됩니다. 플랑크의 흑체 복사 연구에서 시작된 이 흐름은 하이젠베르크와 슈뢰딩거를 거쳐 양자역학이라는 거대한 체계로 완성되었습니다. 미시 세계의 입자들은 확정된 위치가 아닌 확률적 파동 함수로 존재하며, 이는 고전적인 결정론적 세계관을 무너뜨렸습니다. 이러한 양자적 특성은 물질의 근본 구조를 이해하는 데 필수적인 열쇠가 되었습니다. 상대성 이론과 양자역학의 결합은 무한한 입자의 상호작용을 다루는 양자장론으로 진화했습니다. 이 이론 체계 안에서 전자기력, 강력, 약력은 각각 광자나 글루온 같은 매개 입자를 교환하며 작용한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이를 집대성한 표준 모형은 17개의 기본 입자와 상호작용을 통해 자연계의 현상을 놀라울 정도로 정확하게 설명해 냈습니다. 하지만 이 정교한 모델조차도 중력이라는 거대한 힘을 양자역학적 틀 안으로 완전히 끌어들이지는 못하는 한계를 지니고 있었습니다. 일반 상대성 이론을 양자역학적으로 해석하려는 시도는 '재규격화'라는 수학적 장벽에 부딪혔습니다. 미시 세계로 갈수록 시공간의 요동이 극심해지며 계산 결과가 무한대로 발산하는 문제가 발생한 것입니다. 이는 중력이 다른 세 가지 기본 힘과는 근본적으로 다른 성질을 가졌거나, 우리가 아직 시공간의 진정한 미시 구조를 파악하지 못했음을 시사합니다. 따라서 물리학자들은 점 입자라는 기존의 관념을 넘어, 중력과 양자역학을 모순 없이 통합할 수 있는 새로운 근본 이론을 갈망하게 되었습니다. 초끈 이론은 만물의 근본이 점이 아닌 진동하는 아주 작은 '끈'이라는 파격적인 가설에서 출발합니다. 끈의 진동 방식에 따라 입자의 질량과 스핀이 결정되며, 놀랍게도 이 진동 모드 중에는 중력을 매개하는 중력자가 자연스럽게 포함되어 있습니다. 이는 중력을 억지로 끼워 맞추는 것이 아니라 이론의 구조적 필연성으로 수용한다는 점에서 매우 매력적입니다. 초끈 이론은 중력과 전자기력, 강력, 약력을 하나의 원리로 통합하며 아인슈타인이 꿈꿨던 대통일 이론의 강력한 후보로 부상했습니다. 초끈 이론의 수학적 정합성을 유지하기 위해서는 우리가 경험하는 4차원을 넘어 10차원 혹은 11차원의 시공간이 필요합니다. 보이지 않는 여분 차원들은 아주 작은 영역에 숨어 있으며, 이들의 기하학적 형태가 우리 우주의 물리 법칙을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 과거에는 서로 다른 다섯 가지 초끈 이론이 존재한다고 믿었으나, 에드워드 위튼은 이들이 사실 'M-이론'이라는 하나의 거대한 실체의 서로 다른 단면임을 밝혀냈습니다. 이는 우주를 설명하는 단 하나의 근본 원리에 다가가는 중요한 이정표가 되었습니다. 최근 양자 중력 연구의 핵심으로 떠오른 홀로그래피 원리는 우리 우주의 중력 현상이 사실 더 낮은 차원의 경계면에서 일어나는 양자 정보의 투영일 수 있다는 놀라운 통찰을 제공합니다. 이는 3차원 영상의 실체가 2차원 평면에 저장된 홀로그램과 같다는 비유로 설명되며, 중력의 본질을 정보와 양자 얽힘의 관점에서 재해석하게 만듭니다. 비록 초끈 이론이 실험적 검증이라는 거대한 과제를 안고 있지만, 시공간과 물질에 대한 우리의 인식을 근본적으로 뒤바꾸며 우주의 비밀을 푸는 가장 정교한 지도로 기능하고 있습니다.

이성재

카오스재단카오스강연

물리학

[연구뭐하지] 이성근 교수_서울대학교 '지구물질과학 실험실' | 아주 작은 단위로 설명하는 지구 시스템?!

지구 시스템은 수천 킬로미터에 달하는 거대한 규모를 가지고 있지만, 그 이면에는 원자와 전자 수준의 아주 단순한 원리들이 숨어 있습니다. 서울대학교 지구물질과학 연구실은 지난 20여 년간 복잡해 보이는 행성의 변화 과정을 원자핵이나 전자의 스핀과 같은 미시적인 정보를 통해 정량적으로 설명하려는 노력을 지속해 왔습니다. 거시적인 현상을 단순히 관찰하는 것에 그치지 않고, 이를 관통하는 근본적인 물리 법칙을 찾아내어 복잡한 자연 현상을 명쾌하게 이해하는 것이 연구의 핵심 목표입니다. 지구 내부에서 일어나는 과정들은 대부분 한 번 발생하면 되돌릴 수 없는 비가역적인 특성을 지닙니다. 이러한 복잡성을 전 지구적인 단위의 거시적 관점으로만 바라보기에는 한계가 존재하기에, 연구자들은 자연스럽게 더 작은 단위인 원자의 세계로 시선을 돌리게 됩니다. 미시적 단위에서 얻은 물리·화학적 정보는 거시적인 지구 시스템의 문제를 해결하는 열쇠가 되며, 이 두 정보가 통합될 때 비로소 우리는 지구라는 거대한 시스템을 온전히 이해할 수 있는 학문적 토대를 마련하게 됩니다. 구체적인 연구로는 비정질 규산염 마그마에 납이나 아연 같은 미량 원소를 첨가했을 때 나타나는 물성 변화를 고상 NMR 장비로 분석하는 작업이 이루어집니다. 또한, 현무암질 마그마의 성분 모델을 구축하고 멀티앤빌 프레스라는 기기를 활용해 초고압 환경에서의 구조 변화를 정밀하게 측정하기도 합니다. 이러한 실험들은 극한 환경에서 물질이 어떻게 반응하고 변하는지를 규명함으로써, 지구 내부의 물질 순환과 진화 과정을 과학적으로 증명하는 데 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 이 연구실의 성과는 지질학적 영역을 넘어 신소재 개발이나 물질의 구조적 성질 이해가 필요한 다양한 산업 분야로 확장됩니다. 특히 유리 물질의 구조 변화에 대한 연구는 자연계의 현상뿐만 아니라 우리가 일상에서 흔히 사용하는 스마트폰 강화 유리의 성능 개선과도 밀접하게 연결될 수 있습니다. 기초 과학의 본질적인 질문에 대한 답을 찾는 과정이 결국 첨단 기술의 발전과 새로운 물질의 발견으로 이어지는 가교 역할을 하며, 학문 간의 경계를 허무는 융합적 가치를 창출합니다. 연구실은 지구과학에 국한되지 않고 물리와 화학을 아우르는 폭넓은 주제를 다루며, 자연과학 전반에 호기심을 가진 이들에게 열려 있습니다. 교수님이 직접 실험에 참여하고 연구를 주도하는 솔선수범의 자세는 학생들에게 큰 귀감이 되며, 자유로운 연구 분위기 속에서 각자의 주제를 깊이 있게 탐구할 수 있는 환경이 조성되어 있습니다. 또한, 구성원들이 서로의 연구를 존중하고 건강한 식단과 생활 습관을 공유하는 문화는 연구자들이 장기적으로 학문에 몰입할 수 있게 돕는 든든한 버팀목이 됩니다.

이성근

카오스재단연구뭐하지

지구환경과학

[강연] 김근수 교수 _ 반도체의 양자 도약을 꿈꾸며

현대 기술의 핵심인 반도체는 단순한 부품을 넘어 '양자 도약'이라는 거대한 혁신의 중심에 서 있습니다. 과거 양자 현상은 물리학이라는 기초 학문의 영역에만 머물러 있는 주제로 여겨졌으나, 최근에는 양자 컴퓨터나 양자 암호 기술처럼 실질적인 기술적 혁신으로 이어지며 우리 실생활에 거대한 변화를 예고하고 있습니다. 물질 속에 숨겨진 미세한 양자 현상을 어떻게 이해하고 활용하느냐에 따라 미래 기술의 향방이 결정되는 중요한 시점에 도달했습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰 내부에는 마이크로칩이라는 정교한 부품이 존재하며, 그 안을 들여다보면 나노미터 단위의 미세한 트랜지스터들이 빽빽하게 집적되어 있습니다. 1947년 세 명의 물리학자에 의해 처음 발명된 트랜지스터는 초기에는 손바닥만 한 덩어리에 불과했으나, 이제는 머리카락 굵기의 수만 분의 일 크기로 작아졌습니다. 이 작은 소자들은 전압을 제어하여 0과 1이라는 디지털 신호를 만들어내며 현대 정보화 사회의 근간을 이루는 비트의 세계를 창조하고 있습니다. 현대 기술이 빛을 구성하는 광자보다 전자라는 입자를 주로 활용하는 이유는 인간이 전자를 다루기가 훨씬 수월하기 때문입니다. 우리는 전기장과 자기장이라는 강력한 도구를 무기 삼아 전자의 흐름을 정교하게 제어할 수 있으며, 이 전자의 흐름이 곧 우리가 사용하는 전기 신호이자 전류가 됩니다. 물질은 수많은 원자의 배열로 구성되어 있고 그 안에는 활용 가능한 전자가 가득 차 있습니다. 따라서 고체 물질은 전자의 흐름을 만들어내기 위한 마치 거대한 수조와 같은 최적의 보고 역할을 수행하게 됩니다. 미시 세계의 전자는 양자역학의 지배를 받으며 파동과 입자의 성질을 동시에 지니는 독특한 특징을 보입니다. 특히 고체 내의 전자는 아무 에너지나 가질 수 없고, 양자역학적 원리에 의해 허용된 영역과 금지된 영역인 '밴드갭'이라는 에너지 장벽을 마주하게 됩니다. 이 장벽의 높이에 따라 물질은 도체, 부도체, 반도체로 분류됩니다. 반도체는 이 장벽이 매우 애매하게 설정되어 있어, 외부에서 약간의 힘을 가하는 것만으로도 전자의 흐름을 선택적으로 조절할 수 있다는 점에서 기술적으로 매우 유용한 가치를 지니고 있습니다. 반도체 집적도가 매년 비약적으로 향상된다는 무어의 법칙은 최근 물리적 한계에 부딪히며 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 소자가 너무 작아지면 전자가 에너지 장벽을 그대로 뚫고 지나가는 '양자 터널링 현상'이 발생하여 디지털 신호가 불분명해지고, 전자 간의 잦은 충돌로 인해 기기가 뜨거워지는 발열 문제도 심각해집니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 물리학자들은 전자의 스핀이나 고유한 양자 성질을 100% 활용하여 저항 없이 정보를 전달하는 새로운 차원의 '양자 물질' 연구에 집중하며 돌파구를 찾고 있습니다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전자가 마치 빛처럼 질량이 없는 상태로 빠르게 이동하는 놀라운 효율을 보여주지만, 에너지 장벽인 밴드갭이 없다는 치명적인 단점이 존재합니다. 전자를 멈추게 할 장벽이 없으면 디지털 소자인 트랜지스터로 활용하기 어렵기 때문입니다. 이에 최근 연구는 단순히 새로운 물질을 찾는 것을 넘어, 흑린과 같은 물질에 강력한 전기장을 가해 밴드갭의 크기를 자유자재로 조절하는 '슈타르크 효과'를 고체에 적용하고 있습니다. 이는 물질 고유의 성질을 인간의 의도대로 교정하려는 혁신적인 시도라고 할 수 있습니다. 에너지 장벽 자체를 자유자재로 제어할 수 있게 되면 기존의 고전적인 방식과는 전혀 다른 물리학적 원리로 동작하는 신개념 양자 소자를 구현할 수 있습니다. 이는 인공지능 전용 반도체나 자율주행, 빅데이터 처리 등 미래 ICT 기술 전반에 걸쳐 파괴적인 혁신을 가져올 것입니다. 기초 물리학의 영역에 머물던 양자 현상을 고체 물질 속에서 성공적으로 끌어내어 실용화하려는 이러한 노력은, 결국 인류 기술이 정체기를 벗어나 진정한 의미의 '양자 도약'을 실현하는 가장 강력한 밑바탕이 될 것으로 기대하고 있습니다.

김근수

카오스재단

물리학

[연구뭐하지?] 김도헌 교수_서울대학교 '양자집적회로 연구실' | 대한민국에서 귀하다는 양자컴퓨터 연구실에서 울려퍼지는 두두둥

양자 정보 과학은 현대 물리학의 가장 역동적인 분야 중 하나로, 양자 중첩과 양자 얽힘이라는 독특한 현상을 연구합니다. 서울대학교 양자 집적 회로 연구실은 이러한 양자역학적 특성을 정밀하게 측정하고 제어하는 기초 연구에 매진하고 있습니다. 특히 산업계에서 널리 쓰이는 반도체 트랜지스터 형태의 나노 소자를 기반으로, 입자의 스핀을 활용해 양자 중첩 현상을 구현하는 데 집중하고 있습니다. 이는 기존의 물리계와는 차별화된 접근 방식으로, 실용적인 양자 기술 구현을 위한 중요한 토대가 됩니다. 양자 중첩은 관측 전까지 물체가 가능한 모든 상태의 조합으로 동시에 존재할 수 있다는 원리입니다. 이러한 상태들은 서로 간섭하며, 측정 시에는 확률적으로 하나의 결과만이 나타나는 독특한 특성을 보입니다. 최근에는 이러한 파동의 간섭 현상을 이용해 연산 속도를 획기적으로 높이는 양자 컴퓨터와, 기존 기술로는 불가능했던 초정밀 측정을 가능하게 하는 양자 계측 분야가 큰 주목을 받고 있습니다. 연구실은 이러한 양자 기술의 근간이 되는 물리적 현상을 깊이 있게 탐구하며 미래 기술의 가능성을 열어가고 있습니다. 국내에서 양자 컴퓨터 연구를 수행하는 곳은 많지 않지만, 서울대학교 양자 집적 회로 연구실은 그중에서도 가장 활발하고 전도유망한 곳으로 손꼽힙니다. 연구원들은 섬세하고 꼼꼼한 실험 과정 속에서도 서로를 격려하며 학문적 성장을 도모하는 긍정적인 분위기를 자랑합니다. 특히 지도 교수의 세심한 논문 지도와 디테일한 실험 피드백은 연구원들이 복잡한 양자역학적 난제들을 해결해 나가는 데 큰 힘이 됩니다. 이러한 탄탄한 연구 환경은 세계적인 수준의 성과를 내는 원동력이 되고 있습니다. 연구실은 크게 두 가지 플랫폼을 중심으로 연구를 전개합니다. 하나는 반도체 소자 기반의 양자점 연구이며, 다른 하나는 다이아몬드의 결함인 NV 센터를 활용한 플랫폼입니다. 특히 최근에는 다이아몬드 기반 연구에서 발생하는 복잡한 신호를 분석하기 위해 머신러닝과 딥러닝 알고리즘을 적극적으로 도입하고 있습니다. 이는 물리학적 실험 데이터에 인공지능 기술을 접목한 혁신적인 시도로, 데이터 분석의 정확도를 높이고 새로운 물리적 통찰을 얻는 데 기여하고 있습니다. 현대 과학 연구에서 학문 간의 경계는 점차 무너지고 있으며, 양자 정보 과학 역시 예외가 아닙니다. 물리학뿐만 아니라 전자공학, 재료공학, 컴퓨터공학 등 다양한 배경을 가진 인재들이 모여 협력할 때 비로소 창의적인 해결책이 도출됩니다. 전자공학적 방법론과 자연과학적 탐구가 결합된 융합 연구는 양자 현상의 이해를 넓히고 실용적인 양자 시스템을 구축하는 데 필수적입니다. 연구실은 이러한 다학제적 접근을 통해 미래 양자 시대를 선도할 핵심 기술과 인재를 양성하는 데 주력하고 있습니다.

김도헌

카오스재단연구뭐하지

물리학

[강연] 전기와 자기가 만났을 때: 자석에 전류를 흘리면? _ by김갑진｜2019 가을 강연 '도대체 都大體' | 4강

인류 문명의 발전은 전기를 다루기 시작하면서 비약적인 도약을 이루었습니다. 고대 그리스의 탈레스가 호박을 문질러 정전기를 발견한 이래, 인류는 보이지 않는 힘의 실체를 파악하기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 19세기 볼타 전지 발명과 패러데이 전자기 유도 법칙은 현대 문명을 지탱하는 전력 시스템의 근간이 되었습니다. 전기와 자기는 단순한 자연 현상을 넘어, 오늘날 우리가 사용하는 스마트폰부터 자동차에 이르기까지 모든 전자기기의 작동 원리를 제공하며 현대인의 삶과 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 요소로 자리 잡았습니다. 맥스웰은 흩어져 있던 전기와 자기의 법칙들을 맥스웰 방정식으로 통합하며 물리학의 거대한 이정표를 세웠습니다. 그의 이론에 따르면 전기장은 자기장을 만들고, 변화하는 자기장은 다시 전기장을 유도하며 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 이러한 상호작용은 전자기파라는 형태로 공간을 가로질러 빛의 속도로 전달되며, 우리가 보는 빛 또한 전자기파의 일종임을 밝혀냈습니다. 맥스웰 방정식은 세상의 모든 전자기적 현상을 단 네 줄의 수식으로 설명할 수 있음을 보여주었으며, 이는 현대 물리학이 추구하는 대통합 이론의 선구적인 모델이 되었습니다. 아인슈타인은 상대성 이론을 통해 전기와 자기가 관찰자의 운동 상태에 따라 다르게 보일 뿐, 본질적으로 같은 현상임을 증명했습니다. 정지한 관찰자에게는 전기장으로 보이는 것이 움직이는 관찰자에게는 자기장으로 느껴질 수 있다는 사실은 물리 법칙의 보편성을 새롭게 정의했습니다. 이는 자기력이 전기력의 상대론적 효과에 불과하다는 혁신적인 통찰을 제공했습니다. 아인슈타인의 이러한 시각은 전기와 자기를 개별적인 힘이 아닌 전자기력이라는 하나의 통합된 실체로 이해하게 만들었으며, 현대 전자기학의 철학적 토대를 더욱 공고히 다졌습니다. 전기와 자기의 근원을 추적하면 원자 속의 전자와 마주하게 됩니다. 전자는 음의 전하를 띠고 흐르며 전류를 만들 뿐만 아니라, 스핀이라는 고유한 물리량을 통해 자성을 나타냅니다. 스핀은 전자가 스스로 회전하는 것과 유사한 성질을 지니며, 이로 인해 모든 전자는 아주 작은 자석과 같은 역할을 수행합니다. 원자 내 전자들이 특정 방향으로 정렬될 때 비로소 우리가 아는 자석의 힘이 나타나게 됩니다. 결국 우리 주변의 모든 물질은 미시적인 수준에서 끊임없이 회전하고 정렬하는 전자들의 스핀 상호작용에 의해 그 성질이 결정되는 셈입니다. 2007년 노벨 물리학상을 안겨준 거대 자기저항(GMR) 효과의 발견은 전자의 전하뿐만 아니라 스핀을 정보 처리에 활용하는 스핀트로닉스 시대를 열었습니다. 자성체의 정렬 방향에 따라 전자의 흐름이 바뀌는 이 현상은 하드디스크의 기록 밀도를 획기적으로 높이는 데 결정적인 기여를 했습니다. 기존의 전자공학이 전자의 흐름만을 제어했다면, 스핀트로닉스는 전자의 회전 방향까지 조절함으로써 더 빠르고 효율적인 정보 저장을 가능케 했습니다. 이는 현대 정보화 사회에서 폭발적으로 증가하는 데이터를 저장하고 처리하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 최근의 스핀트로닉스 연구는 전류뿐만 아니라 열이나 빛, 심지어 물체의 회전을 통해서도 스핀을 제어하는 단계에 이르렀습니다. 온도 차이를 이용해 스핀의 흐름을 만드는 스핀 제베크 효과나, 전자가 이동하며 스핀 방향에 따라 휘어지는 스핀 홀 효과 등은 물리계의 신비로운 현상들을 보여줍니다. 특히 나노 기술의 발전으로 원자 층 단위에서 스핀을 조절할 수 있게 되면서, 이론적으로만 존재하던 현상들이 실험적으로 증명되고 있습니다. 이러한 발견들은 전기와 자기가 만났을 때 발생하는 무궁무진한 가능성을 시사하며 차세대 소자 개발의 밑거름이 되고 있습니다. 4차 산업혁명 시대의 핵심 자산인 데이터를 유지하기 위해서는 막대한 에너지가 소모됩니다. 스핀트로닉스는 전하의 이동 없이 스핀의 정보만을 전달함으로써 열 발생을 최소화하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 나노 자석을 이용한 초저전력 메모리 기술은 미래의 데이터 센터와 인공지능 연산 장치의 에너지 문제를 해결할 열쇠로 주목받고 있습니다. 보이지 않는 작은 스핀에 대한 탐구는 단순한 호기심을 넘어 인류의 지속 가능한 발전을 위한 기술적 혁신으로 이어지며, 미래 과학의 새로운 지평을 넓혀가고 있습니다.

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 이강영_ E=mc^2, 에너지 보존법칙 싹 다 정리합니다 | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

물리학자는 자유로운 상상가이기보다 데이터와 우주라는 자연의 법칙에 묶여 있는 탐구자입니다. 지난 20여 년간 유럽입자물리연구소(CERN)의 LEP와 LHC, 그리고 미국의 테바트론 같은 거대 가속기들은 새로운 물리 현상을 발견하는 핵심적인 무대가 되어왔습니다. 이곳에서 이론을 실제로 구현하고 새로운 상호작용이나 입자 그리고 대칭성을 찾아내는 과정은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 연구 분야입니다. 우리가 알고 있는 이론이 가속기라는 거대한 실험 장치 속에서 어떻게 증명되는지를 지켜보는 것은 우주의 비밀을 푸는 첫걸음이라 할 수 있습니다. 현재 입자물리학의 표준모형은 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 정교하게 우주를 설명하고 있습니다. 하지만 이 완벽해 보이는 이론에도 여전히 우리가 납득하지 못하는 공백이 존재합니다. 예를 들어 입자 세대 간의 관계나, 표준모형 너머에 존재할 새로운 물리 법칙에 대한 의문은 여전히 남아 있습니다. 이에 따라 최근의 연구는 천체물리학적 관점에서 암흑물질의 정체를 규명하는 방향으로 확장되고 있습니다. 보이지 않는 존재를 탐구하고 실험하는 과정은 물리학이 나아가야 할 새로운 지평을 제시합니다. 에너지가 원래부터 존재해서 보존되는 것이 아니라, 이 세상에 무언가 변하지 않고 보존되는 것이 있다는 믿음에서 에너지라는 개념이 정립되었습니다. 즉, 관찰과 실험을 통해 확인된 '보존되는 물리량'을 우리가 에너지라고 부르기로 약속한 것에 가깝습니다. 이러한 관점의 전환은 에너지를 단순한 수치가 아닌, 우주의 질서를 유지하는 근본적인 속성으로 이해하게 만듭니다. 보존이라는 속성이야말로 에너지를 정의하는 가장 중요한 열쇠이며, 물리학의 근간을 지탱하는 핵심 원리로서 우리 곁에 존재하고 있습니다. 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²은 질량이 곧 에너지의 근원임을 시사합니다. 하지만 이 식의 진정한 의미는 운동항이 포함된 전체 관계식 속에서 더욱 명확해집니다. 평상시 우리는 질량 속에 내재된 거대한 에너지를 거의 느끼지 못하며 살아갑니다. 이는 마치 지표면에 있을 때 지구 중심까지의 거리를 의식하지 않는 것과 비슷합니다. 그러나 입자가 매우 높은 에너지 상태에 도달하게 되면, 질량이 부여하는 에너지와 운동을 통해 얻는 에너지의 효과를 동시에 체감하게 됩니다. 고에너지 상태는 우리가 미처 깨닫지 못했던 질량의 본질을 드러내는 순간입니다. 물질의 가장 기본적인 성질 중 하나인 스핀은 순수하게 양자역학적인 효과로 나타나는 독특한 현상입니다. 이는 고전적인 물리 상식으로는 설명하기 어려운 영역이며, 양자역학의 신비로움을 이해하는 핵심적인 주제이기도 합니다. 과학적 지식을 습득할 때는 훌륭한 저술가의 논리라도 비판적으로 수용하는 태도가 필요합니다. 에너지가 무엇인지 한마디로 정의하기는 어렵지만, 그것이 왜 필요했는지와 어떤 속성을 지니고 있는지를 추적하는 과정은 현대 물리학이 상대성이론과 양자역학을 만나 보여주는 놀라운 세계로 우리를 안내할 것입니다.

이강영

카오스재단카오스강연

물리학

[석학인터뷰] 김갑진 ─ 스핀에 대해서 쉽게 설명해줄게요~ | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

경상북도 의성은 마늘과 컬링으로 유명하지만, 최근에는 인구 소멸이라는 안타까운 소식으로도 자주 언급되는 지역입니다. 이곳에서 농사짓는 부모님을 도우며 자란 한 소년은 고된 노동을 덜어드리기 위해 마늘 심는 기계를 만드는 공학자를 꿈꿨습니다. 그러나 고등학교 시절 만난 선생님은 그에게 물리학자가 될 것을 권유했습니다. 물리학을 공부하면 가족을 돕는 차원을 넘어 인류 전체에 공헌할 수 있다는 원대한 제안은 소년의 인생 경로를 완전히 바꾸어 놓는 계기가 되었습니다. 이는 단순히 개인의 성공을 넘어 더 큰 가치를 지향하게 된 소중한 전환점이었습니다. 대학원에 진학한 후 연구 주제를 정하는 과정은 의외로 단순한 시각적 호기심에서 시작되었습니다. 여러 연구실의 소개 중 유독 역동적인 실험 영상을 보여준 곳에 마음이 끌렸고, 그것이 계기가 되어 새로운 물리 현상의 세계에 발을 들였습니다. 복잡한 수식보다는 눈앞에서 무언가 움직이는 현상 자체가 흥미로웠고, 그 움직임의 실체를 파헤치고자 하는 열망이 연구의 원동력이 되었습니다. 이는 연구자가 평생을 바쳐 탐구할 학문적 여정의 소중한 출발점이었습니다. 보이지 않는 미시 세계의 역동성을 탐구하는 즐거움은 그를 진정한 과학자의 길로 인도했습니다. 자석은 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 엔진과 같습니다. 전기를 생산하는 발전기부터 도로를 달리는 자동차의 모터, 방대한 데이터를 기록하는 하드디스크에 이르기까지 자석의 원리가 쓰이지 않는 곳은 거의 없습니다. 심지어 병원에서 질병을 정밀하게 진단하는 MRI 장비조차 자석의 강력한 힘을 이용합니다. 물리학자들은 이러한 자석의 특성을 더 깊이 이해하고 제어함으로써, 인류가 기술적 한계를 극복하고 더 편리하고 안전한 삶을 누릴 수 있도록 끊임없이 연구를 지속하고 있습니다. 자석이 없는 현대 사회는 상상할 수 없을 정도로 그 영향력은 우리 삶의 모든 구석에 깊숙이 스며들어 있습니다. 전자기학의 기초는 패러데이와 맥스웰이라는 두 위대한 과학자에 의해 확립되었습니다. 패러데이는 자석과 구리선을 이용해 전자기 유도 법칙을 발견하여 현대 전력 시스템의 토대를 마련했습니다. 이후 맥스웰은 흩어져 있던 전기와 자기의 원리들을 단 네 개의 맥스웰 방정식으로 통합하며 완벽한 이론적 체계를 완성했습니다. 이 방정식들은 우주의 모든 전자기적 현상을 명쾌하게 설명해내며, 현대 물리학이 나아갈 방향을 제시하는 가장 견고한 이정표가 되어 지금까지도 수많은 과학자에게 영감을 줍니다. 맥스웰의 통합은 인류가 자연의 근본적인 힘 중 하나를 온전히 이해하게 된 역사적인 사건이었습니다. 맥스웰이 이론을 완성한 지 150년이 흐른 지금도 물리학의 탐구는 멈추지 않고 계속되고 있습니다. 이미 정립된 이론을 바탕으로 현대 과학자들은 나노 세계의 새로운 현상들을 발견하고 이를 첨단 기술에 접목하기 위해 노력하고 있습니다. 과학의 대중화 또한 중요한 과제인데, 최무영 교수나 이강영 교수의 저서들은 난해한 물리 법칙을 일반인도 이해하기 쉽게 전달하는 훌륭한 가교 역할을 합니다. 과거의 위대한 발견을 넘어 미래의 가능성을 열어가는 것이 오늘날 물리학이 수행하는 핵심적인 역할입니다. 끊임없는 질문과 탐구를 통해 우리는 어제보다 더 나은 미래를 설계하고, 과학이 주는 혜택을 온 인류와 나눌 수 있을 것입니다.

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

전자기학의 역사는 인류가 자연의 근본적인 힘을 이해해 온 과정이며, 그 종착점은 우리가 매일 마주하는 '빛'입니다. 고대 그리스 시대의 마찰 전기 현상부터 시작된 탐구는 전하와 자기, 그리고 이들이 서로를 유도하는 복잡한 상호작용을 밝혀내는 여정으로 이어졌습니다. 마이클 패러데이가 직관적으로 제시한 력선의 개념은 이후 제임스 클라크 맥스웰에 의해 정교한 수학적 체계인 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 이 이론은 전기와 자기가 별개의 현상이 아니라 하나의 통합된 전자기장 안에서 파동처럼 퍼져나가는 존재임을 증명하며 현대 물리학의 초석을 다졌습니다. 전기 현상의 핵심인 전하는 입자들이 가진 내재적 속성으로, 이들 사이에는 거리에 반비례하고 전하량에 비례하는 쿨롱의 힘이 작용합니다. 과거에는 이 힘이 시간의 지체 없이 즉각 전달되는 원격 작용으로 여겨졌으나, 패러데이는 전하 주변의 공간 성질이 변한다는 '장'의 개념을 도입했습니다. 전하가 형성한 전기장은 공간상의 모든 점에 벡터 성질을 부여하며, 다른 전하가 이 영역에 들어올 때 비로소 전기력을 느끼게 됩니다. 이러한 관점의 전환은 힘이 전달되는 데 일정한 시간이 걸린다는 사실을 시사하며, 전자기학이 전자기파 이론으로 나아가는 중요한 징검다리가 되었습니다. 자기 현상 또한 전기와 마찬가지로 공간에 형성된 자기장을 통해 힘을 전달합니다. 자석은 항상 N극과 S극이 쌍으로 존재하며, 이를 수학적으로 표현한 것이 자기장에 대한 가우스 법칙입니다. 흥미로운 점은 정지한 전하는 자기장의 영향을 받지 않지만, 움직이는 전하는 자기장 속에서 '로렌츠 힘'이라는 특별한 힘을 받는다는 사실입니다. 이 힘은 전하의 이동 방향과 자기장 방향에 모두 수직으로 작용하여 입자의 궤도를 휘게 만듭니다. 이러한 원리는 과거 브라운관 TV의 전자빔 조절부터 현대의 가속기 실험에 이르기까지 전하의 움직임을 제어하는 핵심 원리로 널리 활용되고 있습니다. 전기와 자기가 서로 긴밀하게 연결되어 있다는 사실은 외르스테드와 앙페르, 그리고 패러데이의 실험을 통해 명확히 밝혀졌습니다. 도선에 흐르는 전류가 주변에 자기장을 형성한다는 발견은 전기가 자기를 만들 수 있음을 보여주었고, 반대로 변화하는 자기장이 회로에 전류를 유도한다는 패러데이 전자기 유도 법칙은 자기가 전기를 유도할 수 있음을 증명했습니다. 맥스웰은 여기서 한 걸음 더 나아가 시간에 따라 변하는 전기장이 자기장을 유도한다는 가정을 추가함으로써 전자기학의 대칭성을 완성했습니다. 이로써 전기와 자기는 서로가 서로를 끊임없이 생성하며 공간을 나아가는 파동의 형태로 통합되었습니다. 맥스웰이 정리한 네 개의 방정식은 인류 역사상 가장 아름다운 물리 공식 중 하나로 꼽힙니다. 그는 이 방정식들을 연립하여 전자기파의 속도를 계산해냈고, 그 결과가 당시 알려진 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이는 인류가 오랫동안 별개의 학문으로 다루어 온 전기학, 자기학, 그리고 광학이 사실은 하나의 뿌리에서 나온 것임을 선언한 역사적 사건이었습니다. 빛은 결국 시간에 따라 진동하는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진공 속을 가로지르는 전자기파의 일종입니다. 이 발견은 뉴턴의 역학적 세계관을 넘어 현대 전자기 문명의 이론적 토대를 마련했습니다. 전자기학의 원리는 현대 반도체 소자인 LED의 작동 방식에서도 구체적으로 확인할 수 있습니다. LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로, 외부에서 전압을 가하면 전자와 정공이 접합면으로 이동하여 결합하게 됩니다. 이때 전자가 가진 높은 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태로 전이되면서 그 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 반도체의 재료를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 바꾸면 빨간색, 녹색, 파란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있습니다. 이는 전하의 이동과 에너지 변환이라는 전자기학적 과정을 통해 우리가 원하는 빛을 인공적으로 만들어내는 정밀한 기술의 산물입니다. 전기와 자기는 관찰자의 운동 상태에 따라 서로 모습을 바꾸는 동일한 현상의 두 측면입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 한 관찰자에게는 자기력으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기력으로 해석될 수 있습니다. 이는 전자기학이 단순히 고전적인 물리 법칙에 머무는 것이 아니라, 시공간의 본질과 깊이 연관되어 있음을 보여줍니다. 맥스웰은 인간의 유한함에 갇히지 않고 우주의 무한한 진리를 추구하며 전자기 통합이라는 위대한 업적을 남겼습니다. 그의 방정식은 오늘날 무선 통신과 디스플레이 기술 등 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 힘으로 우리 곁에 살아 숨 쉬고 있습니다.

고재현

카오스재단마스터클래스

물리학