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[강연] 블랙홀 탄생의 순간을 볼 수 있을까?_ by 이창환 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 8강 | 8강

우주는 아무것도 없는 텅 빈 공간이 아니라, 무한한 창조의 가능성을 품은 진공으로 가득 차 있습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 거대한 질량을 가진 천체는 이 진공의 시공간을 휘게 만듭니다. 빛조차 중력의 영향으로 경로가 굴절되는 중력 렌즈 효과는 이를 증명하는 대표적인 사례입니다. 블랙홀은 이러한 시공간의 왜곡이 극단적으로 일어나는 곳으로, 그 주변을 지나는 빛의 궤적을 통해 우리는 보이지 않는 블랙홀의 존재를 간접적으로 확인할 수 있습니다. 2019년 인류는 사상 처음으로 M87 은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀의 그림자를 촬영하는 데 성공했습니다. 블랙홀 자체는 빛을 내뿜지 않지만, 그 강력한 중력에 이끌려 주변을 회전하는 물질들이 고온으로 가열되면서 밝은 고리 모양의 구조를 형성합니다. 또한 항성 질량 블랙홀의 경우, 동반성으로부터 유입되는 물질들이 좁은 공간으로 몰려들며 발생하는 강력한 X선을 통해 그 존재를 드러냅니다. 이러한 관측 데이터는 이론으로만 존재하던 블랙홀이 우주의 실재임을 확고히 증명해 주었습니다. 중력파의 발견은 우주를 바라보는 새로운 눈을 선사했습니다. 거대한 질량을 가진 블랙홀이나 중성자별이 서로의 주위를 돌며 충돌할 때, 시공간 자체가 출렁이며 파동의 형태로 에너지를 전달합니다. 이를 '우주 시공간의 속삭임'이라 부르기도 합니다. 2015년 최초의 중력파 검출 이후, 과학자들은 전자기파로는 볼 수 없었던 블랙홀들의 병합 과정을 정밀하게 추적할 수 있게 되었습니다. 이는 다중 신호 천체물리학이라는 새로운 학문적 지평을 열어젖힌 역사적인 사건이었습니다. 중성자별은 우주에서 가장 신비로운 천체 중 하나로, 태양보다 무거운 질량을 가졌음에도 반지름은 고작 15km 내외에 불과합니다. 이는 원자핵 수준의 초고밀도 상태로, 각설탕 크기의 중성자별 물질이 수억 톤의 무게를 가질 정도입니다. 거대한 별이 수명을 다해 초신성 폭발을 일으킬 때, 중심부가 급격히 수축하며 탄생하는 이 별은 강력한 자기장을 내뿜으며 주기적인 신호를 보내는 펄서로 관측되기도 합니다. 중성자별은 지상에서 구현하기 힘든 극한의 물리 법칙을 연구할 수 있는 천연 실험실입니다. 중성자별이 중력 붕괴를 견디고 형태를 유지할 수 있는 비결은 양자역학의 파울리 배타 원리에 있습니다. 입자들이 같은 상태에 중첩되어 존재할 수 없다는 이 원리는 밀도가 높아질수록 입자들의 운동량을 증가시켜 강력한 '양자 축퇴 압력'을 발생시킵니다. 흥미로운 점은 미시 세계를 다루는 양자역학이 거시 세계의 천체인 중성자별의 크기와 구조를 결정한다는 사실입니다. 하지만 중성자별의 질량이 일정 한계를 넘어서면, 빛의 속도에 제한을 받는 양자 축퇴 압력은 무한히 강해지는 중력을 더 이상 이겨내지 못하게 됩니다. 두 개의 중성자별이 충돌하는 순간은 블랙홀이 탄생하는 경이로운 과정을 보여줍니다. 2017년 과학자들은 중성자별 충돌에서 발생하는 중력파와 감마선 폭발을 동시에 관측함으로써, 이론적 예측을 현실로 확인했습니다. 이때 발생하는 강력한 에너지는 금이나 백금 같은 무거운 원소들을 생성하며 '킬로노바'라는 화려한 폭발 현상을 일으킵니다. 중력이 양자역학적 저항을 뚫고 시공간의 구멍인 블랙홀을 만들어내는 이 찰나의 순간은 현대 천체물리학이 풀어야 할 가장 핵심적인 질문 중 하나입니다. 중성자별 내부의 초고밀도 상태를 이해하기 위한 노력은 이제 지상의 실험실로 이어지고 있습니다. 대한민국에 건설된 중이온 가속기 '라온'은 무거운 원자핵을 충돌시켜 중성자별 내부와 유사한 극한 환경을 재현하고자 합니다. 쿼크들이 중성자의 속박에서 벗어나 자유롭게 움직이는 상태를 연구함으로써, 우리는 우주 탄생의 비밀과 물질의 근본 구조에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다. 거대 가속기를 통한 기초과학 연구는 천체 관측 데이터와 결합하여 우주에 대한 우리의 인식을 더욱 풍성하게 만들어줄 것입니다.

이창환

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 물리의 렌즈로 본 예술 - 관계에서 찾는 존재의 의미_ by 이창환 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론' 4강 | 4강 ①

물리학이라는 렌즈를 통해 예술을 바라보면 세상은 전혀 다른 모습으로 다가옵니다. 우리는 눈에 보이는 것을 실체라고 믿지만, 사실 우리의 인식은 주변과의 관계 속에서 왜곡되거나 강조되기도 합니다. 에셔의 그림처럼 직선이 주변 환경에 따라 비뚤게 보이는 착시 현상은 인간의 감각이 가진 불완전함을 보여줍니다. 과학은 이러한 주관적 인식을 넘어 우주의 본질적인 질서를 탐구하며, 존재의 의미를 독립된 개체가 아닌 상호 관계 속에서 정의하고자 노력합니다. 물리학자의 시선에서 예술은 단순한 감상의 대상을 넘어 우주의 원리를 투영하는 거울이 됩니다. 현대 물리학이 바라보는 진공은 단순히 비어 있는 공간이 아닙니다. 노자의 '유무상생' 사상처럼, 무(無)는 아무것도 없는 상태가 아니라 모든 가능성이 잠재된 근본적인 장입니다. 김홍도의 씨름도에서 여백이 인물들 사이의 자유로운 소통과 움직임을 가능하게 하듯, 진공 역시 빛과 별, 그리고 우리 존재가 출현할 수 있는 토대가 됩니다. 원자 내부의 광활한 빈 공간이 물질의 존재를 지탱하는 것처럼, 비어 있음은 곧 가득 참의 다른 표현입니다. 우리는 이 보이지 않는 공간과의 관계를 통해 비로소 자신의 존재를 증명할 수 있습니다. 예술가 김아타의 작업은 이러한 물리학적 통찰을 시각적으로 구현합니다. 만 장의 사진을 중첩하여 형체를 지워버린 그의 작품은 무한한 존재의 합이 결국 '무'로 수렴될 수 있음을 보여줍니다. 이는 입자가 여러 상태를 동시에 가질 수 있다는 양자역학적 중첩의 원리와 맞닿아 있습니다. 우리가 인식하지 못하는 진공 속에 수많은 가능성이 중첩되어 있듯, 예술은 보이지 않는 존재의 층위를 겹겹이 쌓아 올림으로써 오히려 본질적인 비어 있음을 드러냅니다. 이러한 '유'와 '무'의 경계에서 우리는 존재의 참된 의미를 다시금 질문하게 됩니다. 과학자들은 거대 가속기 실험을 통해 진공이 끊임없이 요동치며 입자와 반입자를 생성하는 창조의 공간임을 확인했습니다. 양성자보다 훨씬 무거운 힉스 입자가 충돌 과정에서 튀어나오는 현상은 진공 속에 숨겨진 잠재력이 실현된 결과입니다. 우리가 진공을 고요하게 느끼는 이유는 우리 몸을 구성하는 원자 단위보다 훨씬 작은 플랑크 스케일에서 이러한 변화가 일어나기 때문입니다. 결국 존재란 진공이라는 거대한 바다 위에서 일어나는 아주 작은 물결이자 변화의 흔적이라 할 수 있습니다. 보이지 않는 미시 세계의 역동성이 거시 세계의 평온함을 지탱하고 있는 셈입니다. 빛의 이중성 또한 관찰자와 대상 사이의 상호작용 방식에 따라 결정됩니다. 강한 충격으로 짧은 순간 관찰하면 입자의 성질이 나타나고, 긴 시간 부드럽게 교감하면 파동의 성질이 드러납니다. 질량 역시 입자가 진공과 얼마나 강하게 상호작용하느냐에 따라 결정되는 상대적인 값입니다. 핵융합과 핵분열 과정에서 발생하는 거대한 에너지는 결국 입자들이 진공을 상대하는 방식이 변하면서 나타나는 질량의 차이입니다. 이처럼 만물은 진공과의 끊임없는 관계 맺기를 통해 자신의 성질을 규정하며, 이는 고정된 실체가 아닌 끊임없는 변화의 과정으로서의 존재를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 시공간을 고정된 배경이 아닌 유연한 실체로 바꾸어 놓았습니다. 거대한 질량은 주변 시공간을 휘게 만들고, 그 길을 따라 빛조차 곡선을 그리며 나아갑니다. 이러한 시공간의 왜곡은 중력 렌즈 효과를 통해 우주에 거대한 고리 모양의 환영을 만들어내기도 합니다. 예술가들은 역원근법이나 다시점 기법을 통해 고정된 관찰자의 시선에서 벗어나 시공간의 유동성을 포착하려 했습니다. 이는 절대적인 좌표계가 사라지고 모든 것이 상대적인 관계 속에서 정의되는 현대 물리학의 우주관과 일치하며, 우리가 보는 세상이 절대적이지 않음을 시사합니다. 현대 물리학은 양자역학과 상대성 이론을 통합하는 과정에서 5차원 이상의 새로운 차원을 가정하기도 합니다. 이는 마그리트나 에셔의 그림처럼 우리의 상식을 뛰어넘는 논리적 상상력을 요구합니다. 김환기 화백이 수많은 점을 찍으며 우주의 인연을 노래했듯, 과학자와 예술가는 각자의 언어로 보이지 않는 우주의 질서를 그려냅니다. 우리가 우주의 중심이 되어 각자의 시간과 공간을 살아가는 것처럼, 물리와 예술은 존재의 근원을 찾아가는 여정 속에서 서로를 비추는 거울이 됩니다. 이 아름다운 관계 속에서 우리는 비로소 우주의 일원으로서 자신의 자리를 발견하게 됩니다.

이창환

카오스재단카오스강연

물리학
융합

[인터뷰] 우주는 Universe일까, Multiverse일까? ㅣ스페이스오페라_릴레이 인터뷰 | 우가궁3

우리가 살고 있는 우주가 유일한 존재인지, 아니면 수많은 우주 중 하나에 불과한지에 대한 논의는 현대 과학의 가장 흥미로운 화두 중 하나입니다. 과거 인류는 지구가 우주의 중심이라 믿었으나, 과학의 발전과 함께 태양계와 은하 역시 수많은 천체 중 하나일 뿐이라는 사실을 깨달았습니다. 이러한 인식의 지평이 확장되어 온 역사를 돌이켜볼 때, 우리가 속한 우주 역시 거대한 다중우주의 일부분일 가능성은 충분합니다. 이는 단순히 상상력을 넘어, 우리가 특별하지 않다는 코페르니쿠스 원리에 기반한 합리적인 추론이라 할 수 있습니다. 하지만 다중우주를 과학의 영역에서 온전히 받아들이기에는 여전히 거대한 장벽이 존재합니다. 과학은 관측과 증거를 바탕으로 성립되지만, 현재의 기술로는 우리 우주의 경계 너머를 들여다볼 방법이 없기 때문입니다. 아무리 수학적으로 완벽한 이론이라 할지라도, 직접적인 관측이 불가능하다면 그것은 과학적 탐구의 대상이라기보다 철학적 유희에 가까울 수 있습니다. 우리가 인지할 수 없는 영역에 대해 논하는 것은 자칫 모르는 것을 또 다른 모르는 것으로 설명하려는 오류에 빠질 위험이 있기에, 많은 과학자들은 이 문제에 대해 신중한 태도를 견지합니다. 양자역학적 관점에서 우주의 기원을 바라본다면 다중우주의 존재는 더욱 설득력을 얻습니다. 우주의 발생 과정을 확률적인 사건으로 해석할 때, 단 하나의 결과물만이 존재해야 할 필연적인 이유는 없기 때문입니다. 만약 우주를 탄생시킨 물리적 원리가 보편적이라면, 그러한 과정은 시공간의 제약을 넘어 여러 번 반복되었을 가능성이 큽니다. 이는 마치 자연이 수많은 실험을 거듭하며 다양한 우주를 만들어낸 것과 같습니다. 이러한 관점은 우주상수 문제처럼 기존의 단일 우주론으로는 설명하기 힘든 난제들에 대해 새로운 실마리를 제공하기도 합니다. 우주가 단 하나뿐이라면, 생명체가 존재할 수 있도록 정교하게 조정된 물리 법칙들은 마치 기적처럼 보일 수밖에 없습니다. 이러한 '미세 조정'의 문제는 때로 초월적인 존재나 신의 개입을 상상하게 만들기도 합니다. 그러나 다중우주라는 틀 안에서는 이 모든 것이 우연의 산물로 설명될 수 있습니다. 수많은 우주가 뿌려진 가운데, 우연히 생명이 살기에 적합한 조건을 갖춘 우주에서 우리가 태어났다고 보는 것입니다. 이는 신학적 논쟁을 넘어, 우주의 존재 이유를 자연적인 확률의 결과로 이해하려는 과학적 시도 중 하나라고 볼 수 있습니다. 최근 10년 사이 암흑에너지와 초끈이론에 대한 연구가 깊어지면서, 다중우주는 더 이상 허구의 영역이 아닌 진지한 물리학적 논의의 대상이 되었습니다. 비록 지금 당장 다른 우주와의 접점을 찾거나 존재를 입증할 수는 없지만, 이론적 정합성을 찾아가는 과정 자체가 현대 물리학의 지평을 넓히고 있습니다. 중요한 것은 우리가 살고 있는 이 우주를 탐구하는 과정에서 얻는 가치입니다. 다중우주라는 매력적인 아이디어가 단순한 가설을 넘어 진정한 과학으로 거듭나기 위해서는, 언젠가 관측을 통해 검증될 수 있는 구체적인 증거를 찾아내야 하는 과제가 남아 있습니다.

권우진, 김용철, 박성찬, 박창범, 신지혜, 윤성철, 이명현, 이석영, 이성재, 이영욱, 임명신, 임채호, 정애리, 조중현, 최기운

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
지구환경과학
천문학
융합

[강연] 미시 세계의 양자 물리 _ by임채호ㅣ 2021 '시간, 물질 그리고 우주' 2강 | 2강

우리가 살아가는 거시 세계와 달리, 미시 세계는 상상을 초월하는 독특한 법칙들로 가득 차 있습니다. 19세기까지 인류는 뉴턴의 법칙을 통해 천체의 궤도를 예측하며 자연을 이해해 왔지만, 원자와 전자 같은 아주 작은 단위로 내려가면 기존의 상식은 무너집니다. 고대 철학자 데모크리토스가 더 이상 쪼갤 수 없는 '원자'를 제안한 이래, 현대 과학은 물질의 근본이 무엇인지 끊임없이 질문해 왔습니다. 이제 우리는 단순히 물질을 쪼개는 것을 넘어, 공간을 채우고 있는 근본적인 존재와 그들이 움직이는 방식에 대해 새로운 논리를 정립해야 하는 시점에 서 있습니다. 빛과 전자는 입자인 동시에 파동이라는 이중적인 성질을 지닙니다. 과거 뉴턴은 빛을 입자로 보았으나, 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛이 간섭 무늬를 만드는 파동임이 증명되었습니다. 그러나 20세기에 들어서며 아인슈타인은 광전 효과를 통해 빛이 알갱이인 '광자'임을 밝혀냈고, 전자 역시 입자로 생각되었으나 실험에 따라 파동처럼 행동한다는 사실이 드러났습니다. 흥미로운 점은 우리가 전자가 어느 구멍을 통과하는지 관측하는 순간 파동성은 사라지고 입자처럼 행동한다는 것입니다. 이는 관측이라는 행위가 미시 세계의 상태에 직접적인 영향을 미친다는 놀라운 사실을 시사합니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 미시 세계를 이해하는 핵심적인 열쇠입니다. 입자의 위치를 정확하게 측정하려고 하면 운동량을 알 수 없게 되고, 반대로 파동성을 확인하려 하면 위치가 모호해집니다. 보어는 이를 '상보성 원리'라는 개념으로 설명하며, 입자성과 파동성은 동전의 양면과 같아서 동시에 두 가지 성질을 모두 측정할 수는 없다고 강조했습니다. 이러한 논리는 우리가 대상을 측정하기 전까지는 그 상태를 확정할 수 없음을 의미합니다. 결국 양자역학은 결정론적인 세계관에서 벗어나, 확률과 가능성이 공존하는 새로운 패러다임을 제시하며 과학의 지평을 넓혔습니다. 미시 세계의 입자들은 통계적 성질에 따라 보손과 페르미온으로 나뉩니다. 광자와 같이 여러 입자가 같은 상태에 머물 수 있는 보손은 힘을 매개하는 역할을 하며, 레이저와 같은 현대 기술의 근간이 됩니다. 반면 전자나 쿼크 같은 페르미온은 동일한 상태에 두 입자가 함께 존재할 수 없는 '파울리 배타 원리'를 따릅니다. 이러한 성질 덕분에 물질은 일정한 부피를 유지하며 붕괴하지 않고 존재할 수 있습니다. 만약 전자가 페르미온이 아니었다면 원자 구조는 유지될 수 없었을 것이며, 우리가 아는 복잡한 화학 반응과 생명 현상 또한 불가능했을 것입니다. 원자의 구조와 주기율표의 원리 또한 양자역학의 물질파 개념으로 명쾌하게 설명됩니다. 전자는 핵 주위를 단순히 도는 것이 아니라, 특정 궤도에서 파동으로서 안정적인 상태를 유지합니다. 보어의 가설에 따르면 전자의 파장이 궤도 둘레와 정수배로 일치할 때만 에너지를 잃지 않고 존재할 수 있습니다. 여기에 전자의 '스핀'이라는 고유한 성질이 더해져 각 궤도에 들어갈 수 있는 전자의 수가 결정됩니다. 이러한 양자적 배치가 원소들의 화학적 성질을 결정하며, 복잡한 주기율표의 질서를 만들어내는 근본 원동력이 됩니다. 양자역학의 확률적 해석은 아인슈타인조차 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"며 반발할 정도로 파격적이었습니다. 슈뢰딩거는 관측 전까지 삶과 죽음이 중첩된 고양이 역설을 통해 미시 세계의 모호함을 지적했습니다. 하지만 현대 물리학은 이러한 확률적 존재 방식을 받아들였고, 나아가 진공조차 아무것도 없는 빈 공간이 아님을 밝혀냈습니다. 디랙 방정식은 반입자의 존재를 예견했으며, 진공 속에서는 끊임없이 입자와 반입자가 생성되고 소멸하는 양자 요동이 일어납니다. 이처럼 텅 빈 공간으로 보였던 진공은 사실 역동적인 양자 현상의 무대인 셈입니다. 이제 인류는 양자역학을 단순히 이해하는 단계를 넘어, 이를 실생활에 응용하는 양자 공학의 시대로 진입하고 있습니다. 양자 중첩과 얽힘을 이용한 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신은 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 혁신을 예고하고 있습니다. 또한 미시 세계를 다루는 양자장론과 거시 우주를 설명하는 일반 상대성 이론을 통합하려는 시도는 현대 물리학의 궁극적인 과제로 남아 있습니다. 우주 초기의 비밀을 풀기 위해서는 이 두 세계의 논리가 하나로 합쳐져야 합니다. 양자역학은 우리가 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 바꾸며 미래 과학의 새로운 길을 제시하고 있습니다.

임채호

카오스재단카오스강연

물리학

[인터뷰] 임채호_양자역학이 일반인에게 어려운 이유ㅣ 2021 카오스강연 '시간, 물질 그리고 우주'

밤하늘의 은하수를 바라보며 느끼는 감성은 우리를 무한한 상상력의 세계로 인도합니다. 하지만 양자역학의 세계는 우리가 일상에서 직접 보고 느낄 수 있는 범위를 벗어나 있기에 매우 어렵고 생소하게 다가옵니다. 과학자들에게 양자역학은 자연의 근본 원리를 다루는 하나의 정교한 도구와 같습니다. 수많은 실험을 통해 축적된 지식은 비록 간접적일지라도 미시 세계의 특별한 메커니즘을 끊임없이 입증해 왔습니다. 일반인들이 양자역학의 복잡한 수식과 공식을 모두 이해하기는 힘들겠지만, 그 속에 담긴 핵심적인 사고방식 한두 가지만이라도 파악한다면 현대 과학의 정수를 이해하는 소중한 발판이 될 것입니다. 우주의 시작을 추적하다 보면 우리는 필연적으로 양자역학의 영역에 도달하게 됩니다. 현재 팽창하는 우주를 거꾸로 되돌리면 원자보다 더 작은 미시 세계, 즉 소립자 세계가 나타나기 때문입니다. 이 초기 우주에서는 양자 현상이 결정적인 역할을 하며, 우리가 일상적으로 경험하는 거시 세계의 물리 법칙과는 전혀 다른 원리들이 작동합니다. 당시에는 입자와 반입자가 찰나의 순간에 생성되고 소멸하는 역동적인 상호작용이 반복되었습니다. 이러한 미시적 과정들은 오늘날 우리가 목격하는 거대한 우주의 구조를 형성하는 근본적인 기초가 되었으며, 현대 물리학이 풀어야 할 가장 흥미로운 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 양자역학이 다루는 세계는 우리가 일상에서 경험하는 실수의 세계를 훨씬 넘어섭니다. 소립자의 미세한 움직임을 온전히 이해하기 위해서는 실수를 확장한 복소수 공간이라는 새로운 수학적 틀이 필요합니다. 여기에는 우리가 시계로 재는 일반적인 시간 외에 '허수 시간'이라는 독특한 개념이 존재합니다. 이러한 특수한 시간의 영역에서는 아주 짧은 찰나의 순간이 실제로는 매우 긴 물리적 과정이 될 수 있으며, 보이지 않는 곳에서 수많은 입자가 상호작용합니다. 이러한 현상들은 비록 우리 눈에 직접 보이지는 않지만, 결국 거시적인 자연의 다양한 현상 속에 간접적인 형태로 투영되어 그 존재를 드러냅니다. 오랜 시간 강연을 통해 지식을 전달해 온 학자로서, 정년 이후에는 새로운 방식으로 과학적 아이디어를 표현하고자 하는 시도가 이어지고 있습니다. 나무를 가공하여 추상적인 개념을 구체적인 형상으로 구현하는 작업은 복잡한 언어적 설명 대신 실물 그 자체로 메시지를 전달하는 독특한 매력이 있습니다. 기존의 예술적 형식을 그대로 답습하기보다 자신이 평생 탐구해 온 과학적 원리를 나무라는 따뜻한 소재에 담아내는 과정은 즐거운 도전입니다. 뉴턴 역학이나 확률의 개념을 시각적인 움직임으로 연결하는 목공 작업은, 말로 다 표현할 수 없는 과학의 심오한 아름다움을 대중에게 직관적으로 보여주는 새로운 소통의 언어가 됩니다. 우주를 향한 탐구는 인간의 순수한 상상력과 철학에서 시작하여 정교한 수학과 과학적 검증으로 완성됩니다. 과거에는 밤하늘의 별을 보며 신화와 이야기를 만드는 인문학적 상상이 주를 이루었지만, 20세기에 들어서며 인류는 우주를 객관적이고 과학적으로 탐구할 수 있는 단계에 이르렀습니다. 이를 현실화하기 위해서는 고도의 수학적 노력과 엄밀한 과학적 사고방식이 필수적으로 요구됩니다. 방대한 과학 지식 중에서 가장 기본적이고 핵심적인 원리들을 제대로 이해하고 체득한다면, 우리는 그것을 바탕으로 우주에 대한 사고를 무한히 확장할 수 있습니다. 결국 과학은 복잡한 현상 속에서 단순하고 명쾌한 본질을 찾아가는 여정입니다.

임채호

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물리학

[연구뭐하지?] 신용일 교수_서울대학교 '양자기체 연구실' | 초유동성?! 양자기체?! 이곳에서 물리 폭풍렙업 중!

양자기체 연구는 절대영도에 매우 근접한, 대략 10의 -9승 도 정도의 극저온 상태에서 물질의 성질을 탐구하는 분야입니다. 이렇게 극도로 낮은 온도에서는 기체가 평소와는 전혀 다른 독특한 양자 현상을 보이게 되는데, 그중에서도 마찰 없이 흐르는 성질인 '초유동성'이 핵심적인 연구 대상입니다. 서울대학교 물리천문학부 양자기체 연구실에서는 이러한 신비로운 물리적 현상을 규명하기 위해 다양한 실험적 접근을 시도하며, 자연의 근본적인 원리를 파헤치는 데 주력하고 있습니다. 과거에는 초유동성 연구가 주로 낮은 온도의 고체에서 나타나는 초전도 현상이나 액체 헬륨의 특이한 흐름을 통해 이루어져 왔습니다. 그러나 최근 원자 기체를 극저온으로 냉각할 수 있는 정교한 실험 기술이 비약적으로 발전하면서 연구의 지평이 넓어졌습니다. 이제 과학자들은 원자 기체의 내부 상태를 세밀하게 제어함으로써 새로운 시스템에서 초유동성을 관찰할 수 있게 되었습니다. 이는 양자 다체계 현상을 이해하는 데 있어 매우 중요한 전환점이 되었으며, 현대 물리학의 핵심적인 연구 분야로 자리 잡았습니다. 극저온 양자기체 물성을 연구하기 위해서는 고도의 기술적 숙련도가 요구됩니다. 연구자들은 기본적으로 진공 기술과 레이저 기술을 완벽히 익혀야 하며, 원자 물리학에 대한 깊은 이해가 필수적입니다. 실험 과정은 마치 만 피스짜리 퍼즐을 맞추거나 RPG 게임에서 레벨업을 하는 과정과 비슷합니다. 수많은 부품을 조립하고 정교하게 조정하며 차곡차곡 경험치를 쌓아가는 긴 여정은 때로 어렵고 힘들지만, 그 과정에서 얻는 지적 즐거움과 성취감은 무엇과도 바꿀 수 없는 중독성 있는 매력을 지니고 있습니다. 연구실의 분위기는 자유롭고 수평적인 의사소통을 지향하며, 팀원 간의 협력이 무엇보다 중요하게 여겨집니다. 복잡한 실험 장비를 다루고 방대한 데이터를 분석해야 하기에 팀플레이 능력이 필수적인 덕목으로 꼽힙니다. 일상적인 소통의 한 예로 식사 메뉴를 정하거나 커피 내기를 할 때 가위바위보를 활용하는 등 유쾌한 문화를 공유하기도 합니다. 이러한 유연한 분위기 속에서 연구원들은 서로의 아이디어를 자유롭게 나누며, 창의적인 연구를 지속할 수 있는 동력을 얻습니다. 초유동성과 초전도 현상에 대한 명확한 물리적 이해는 단순히 지식의 확장을 넘어 인류의 실생활에 혁명적인 변화를 가져올 수 있습니다. 만약 상온에서도 저항 없이 전류가 흐르는 초전도체를 개발할 수 있다면, 발전소에서 도시로 전력을 수송할 때 발생하는 막대한 에너지 손실을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 극저온 양자기체 연구는 이러한 꿈의 물질을 설계하기 위한 기초 지식을 제공하며, 에너지 절약과 효율적인 전력망 구축 등 미래 기술의 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.

신용일

카오스재단연구뭐하지

물리학

[과학자가 쓴 과학책#2] 불멸의 원자 by이강영 | KAOS X 공원생활 특집

이강영 교수의 저서 '불멸의 원자'는 현대 물리학의 정수를 우아한 문체로 담아낸 과학 에세이집입니다. 저자는 물리학자로서의 전문성을 바탕으로 원자, 쿼크, 힉스 입자 등 최첨단 물리학의 지형을 대중의 눈높이에서 조망합니다. 특히 이 책은 단순히 지식을 전달하는 데 그치지 않고, 과학자들의 삶과 그들이 추구했던 불멸의 꿈을 입체적으로 그려냅니다. 독자들은 어떤 페이지를 펼치더라도 현대 물리학이 밝혀낸 우주의 신비로운 풍광을 마주하며, 과학이라는 학문이 가진 지적인 매력에 깊이 빠져들게 됩니다. 진공에 대한 인류의 탐구는 17세기 마그데부르크 반구 실험을 통해 시각적인 충격을 주며 시작되었습니다. 폰 게리케는 공기를 뺀 구리 공이 서른 마리의 말이 당겨도 떨어지지 않는 모습을 보여줌으로써 진공의 강력한 위력을 증명했습니다. 고대 그리스의 데모크리토스가 원자의 운동을 위해 진공의 존재를 처음 제안한 이래, 아리스토텔레스의 철학과 뉴턴의 절대 공간 개념이 충돌하며 진공의 정의는 끊임없이 진화해 왔습니다. 이는 단순히 비어 있는 공간을 넘어 실재의 본질을 묻는 질문이었습니다. 현대 물리학에서 진공은 단순히 비어 있는 상태가 아니라 가장 낮은 에너지 상태를 의미합니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물질은 곧 에너지이므로, 진공이 되기 위해서는 모든 물질이 제거되어야 합니다. 하지만 물질이 없다고 해서 완전히 비어 있는 것은 아닙니다. 우주 공간은 빅뱅의 흔적인 우주배경복사라는 빛으로 가득 차 있으며, 우리가 보는 진공은 사실 전자기파에 의해 정의된 상태에 불과합니다. 즉, 진공은 관찰하는 척도에 따라 그 모습이 달라지는 역동적인 공간입니다. 진공의 모습은 자연의 네 가지 기본 힘에 따라 각기 다른 얼굴을 드러냅니다. 중력의 관점에서 진공은 시공간의 휘어짐이 전혀 없는 완벽하게 평평한 상태를 의미하며, 이는 물질과 시공간의 상호작용이 최소화된 지점입니다. 반면 원자핵을 결합하는 강한 핵력의 세계에서 진공은 훨씬 복잡한 수학적 구조를 가집니다. 강한 핵력에 의한 진공은 여러 상태가 존재할 수 있으며, 우리 우주는 그중 가장 간단한 형태의 진공을 선택하고 있는 것으로 보입니다. 이러한 다양성은 진공이 우주의 근본 원리와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 약한 핵력의 영역에 이르면 진공의 개념은 더욱 신비로워집니다. 힉스 입자는 약한 핵력의 진공 상태를 결정하며, 이 과정에서 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 우리가 경험하는 물질 세계의 성질들이 사실은 이 특수한 진공 상태에서 비롯된 결과물인 셈입니다. 결국 마그데부르크 반구 속 비어 있던 공간은 현대 물리학의 눈으로 볼 때 에너지가 요동치고 힘의 법칙이 살아 숨 쉬는 장소였습니다. 진공에 대한 이해의 변화는 우리가 우주를 바라보는 패러다임이 얼마나 깊고 넓어졌는지를 잘 보여줍니다.

이강영

카오스재단읽다과학

물리학

[강연] 눈으로 보는 분자 한 개의 화학 _ by김유수｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 6강 | 6강 ①

화학의 세계에서 전체를 이해하기 위해서는 그 구성 요소인 개별 분자를 들여다보는 과정이 필수적입니다. 예술가 크리스 조던이 수만 개의 알루미늄 캔으로 거대한 명화를 재현했듯, 우리 주변의 물질 또한 무수히 많은 분자의 집합체입니다. 아리스토텔레스는 전체가 부분의 합보다 크다고 말했지만, 화학자들은 그 '플러스 알파'의 가치를 극대화하기 위해 부분 하나하나의 성질과 방향을 파악하는 데 집중합니다. 분자 한 개를 직접 보고 조작하려는 시도는 바로 이러한 근원적인 호기심에서 시작되었습니다. 인류의 생존을 지탱해 온 비료 생산의 핵심인 하버-보슈법은 화학 반응과 촉매의 중요성을 잘 보여줍니다. 공기 중의 질소를 고정해 암모니아를 만드는 과정은 매우 높은 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 활성화 에너지를 낮추어 반응이 쉽게 일어나도록 돕습니다. 촉매는 스스로 변하지 않으면서도 반응물들이 서로 만나 생성물이 되도록 중매쟁이 역할을 수행합니다. 이러한 반응이 실제로 일어나는 장소인 고체 표면은 분자들이 흡착하고 확산하며 새로운 결합을 형성하는 역동적인 놀이터와 같습니다. 하지만 고체의 표면을 연구하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 물리학자 파울리가 물질은 신이 만들었지만 표면은 악마가 만들었다고 한탄했을 정도로, 표면은 매우 불균일하고 복잡하기 때문입니다. 표면의 원자들은 내부 원자들과 달리 결합할 '손'이 남아돌아 외부 분자들과 민감하게 반응하며, 계단이나 결함 등 위치에 따라 각기 다른 특성을 보입니다. 따라서 거시적인 촉매 현상을 제대로 이해하기 위해서는 미시적인 관점에서 분자가 표면의 어느 지점에 어떻게 붙어 있는지 정밀하게 관찰해야 합니다. 원자 레벨의 미시 세계를 관찰하기 위해 과학자들은 주사 터널링 현미경(STM)이라는 혁신적인 도구를 개발했습니다. STM은 아주 뾰족한 탐침을 시료 표면에 가까이 가져갈 때 흐르는 미세한 터널링 전류를 이용합니다. 탐침과 표면 사이의 거리가 조금만 변해도 전류가 급격히 변하는 성질을 활용해, 원자 하나하나의 굴곡을 이미지로 형상화하는 것입니다. 이는 마치 세차장의 센서가 차의 표면을 따라 움직이듯, 피드백 회로를 통해 원자 단위의 해상도로 물질의 생생한 모습을 포착해냅니다. STM은 단순히 보는 기능을 넘어 분자를 조작하는 '칼'의 역할도 수행합니다. 탐침을 통해 전자의 개수와 에너지를 정밀하게 조절하여 특정 분자에 에너지를 주입할 수 있기 때문입니다. 이를 통해 원자를 하나씩 옮겨 글자를 쓰거나, 분자의 화학 결합을 끊어 새로운 물질로 변화시키는 것이 가능해졌습니다. 특히 영하 269도의 극저온과 우주 공간에 가까운 초고진공 환경을 조성하면, 분자의 움직임을 멈추고 개별 분자와 마치 대화를 나누듯 정밀한 화학 반응 실험을 진행할 수 있습니다. 분자를 효과적으로 제어하기 위해서는 '공명'이라는 개념이 중요합니다. 이는 분자가 에너지를 받아들이기 가장 좋은 상태에 맞춰 외부 에너지를 전달하는 방식입니다. 마치 와인 잔의 고유 진동수에 맞춰 소리를 내면 잔이 깨지는 것처럼, 분자의 진동 상태나 전자 상태에 딱 맞는 에너지를 주입하면 특정 화학 결합만을 선택적으로 끊을 수 있습니다. 이러한 정밀한 에너지 전달 기술은 분자를 억지로 끌고 가는 것이 아니라, 분자의 성질을 이해하고 설득하여 우리가 원하는 방향으로 유도하는 세밀한 화학의 정수를 보여줍니다. 단분자 수준의 연구는 미래의 에너지 변환 시스템과 신소재 디자인에 중요한 단서를 제공합니다. 광촉매, 연료전지, 유기 태양 전지 등 현대 과학의 핵심 기술들은 모두 표면에서 일어나는 분자들의 에너지 전달 과정에 기반하고 있기 때문입니다. 비록 지금은 극단적인 환경에서의 실험이 주를 이루지만, 분자 하나하나의 개성과 능력을 파악하려는 노력은 화학의 지평을 넓히고 인류의 꿈을 실현하는 밑거름이 됩니다. 눈으로 직접 확인하고 조작하는 단분자 화학은 이제 교과서 속 모델을 넘어 실제 현실의 영역으로 들어오고 있습니다.

김유수, 김지환

카오스재단카오스강연

화학

[석학인터뷰] 기원 릴레이 - '모든 것의 기원' 1편_우주, 질량, 소립자

현대 우주론의 근간인 표준 우주론은 빅뱅 이론과 이를 보완하는 급팽창 이론의 결합으로 이루어져 있습니다. 빅뱅 이론이 지닌 초기 조건의 한계를 극복하기 위해 등장한 급팽창 이론은 우주의 시작을 설명하는 핵심적인 틀을 제공합니다. 비록 아직 직접적인 검증이 완료되지는 않았으나, 과학자들은 이 이론이 초기 우주의 형성 과정을 설명하는 가장 유력한 방법이라는 점에 동의하고 있습니다. 현재는 초끈이론이나 중력 이론의 수정을 통해 급팽창의 구체적인 메커니즘을 밝히려는 연구가 활발히 진행 중입니다. 다중 우주론은 검증 불가능하다는 이유로 한때 과학계에서 금기시되기도 했으나, 급팽창 이론의 관점에서는 매우 자연스러운 결과로 받아들여집니다. 우주 초기 단계에서 발생한 양자요동이 지역마다 다른 진공에너지를 형성하게 되고, 이는 결국 서로 다른 물리적 특성을 지닌 수많은 우주의 탄생으로 이어질 수 있기 때문입니다. 우리가 관측할 수 있는 범위를 넘어서는 거대한 스케일에서 우리 우주와는 전혀 다른 환경을 가진 공간들이 존재할 가능성은 현대 물리학이 탐구하는 가장 흥미로운 주제 중 하나입니다. 양자역학적 관점에서의 다중 우주는 '다세계 해석'을 통해 설명되기도 합니다. 이는 양자 측정 과정에서 발생하는 파동함수의 붕괴를 이해하기 위한 시도로, 측정의 결과에 따라 우주가 여러 갈래로 나뉜다는 파격적인 개념을 담고 있습니다. 비록 이를 온전히 수용하기에는 직관적으로 거대한 도약이 필요하지만, 양자역학의 난제를 해결하는 가장 정교한 설명 중 하나로 평가받습니다. 이처럼 우주론적 급팽창과 양자역학이라는 서로 다른 두 경로를 통해 다중 우주라는 거대한 담론이 형성되고 있습니다. 입자물리학의 표준모형은 힉스 입자를 통해 기본 입자들이 질량을 얻는 과정을 설명합니다. 우주 전체에 퍼져 있는 힉스장과의 상호작용은 마치 초전도체 내부의 상전이 현상처럼 입자들에게 질량을 부여합니다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 실험을 통해 힉스 입자의 존재가 확인되면서 이 이론은 확고한 과학적 사실로 자리 잡았습니다. 다만 우리가 체감하는 질량의 대부분은 힉스 입자보다는 강한 상호작용에 의한 양성자 질량에서 기인한다는 점은 물리학의 또 다른 깊은 이면을 보여줍니다. 현대 물리학에서 입자의 성질과 상호작용을 결정하는 근본적인 원리는 바로 대칭성입니다. 시공간의 대칭성에 따라 입자들은 스핀이라는 고유한 물리량을 가지게 되며, 이는 물질을 구성하는 페르미온과 힘을 매개하는 보손을 구분 짓는 기준이 됩니다. 또한 내부 대칭성 혹은 게이지 대칭성은 빛과 물질이 어떻게 소통하고 결합하는지를 규정합니다. 결국 우주의 모든 현상은 그 기저에 흐르는 정교한 대칭성의 법칙에 의해 설계된 결과물이며, 물리학자들은 이 대칭성을 통해 우주의 근원을 이해하고자 합니다.

김항배, 김형도, 박성찬

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
천문학

[강연] 우미우미 : 우주의 미래, 우리의 미래 (3) _ by임명신 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 9강 | 9강 ③

우주는 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질 너머의 거대한 신비로 가득 차 있습니다. 그중에서도 암흑 물질과 암흑 에너지는 현대 천문학의 가장 큰 화두입니다. 암흑 물질은 보이지 않지만 강력한 중력을 통해 은하단의 형태를 유지하는 보이지 않는 손과 같은 역할을 합니다. 반면, 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 척력으로 작용하며 우주 전체 에너지의 상당 부분을 차지하고 있습니다. 이 두 존재는 이름은 비슷하지만, 하나는 끌어당기는 물질이고 다른 하나는 밀어내는 에너지라는 점에서 본질적으로 상반된 성질을 지니고 있습니다. 암흑 물질의 정체를 밝히기 위한 인류의 노력은 다각도로 진행되고 있습니다. 액시온이나 윔프와 같은 미지의 입자부터 블랙홀이나 콤팩트한 천체인 마초(MACHO)까지 다양한 가설이 제시되었습니다. 과학자들은 중력 렌즈 현상이나 입자 충돌 시 발생하는 감마선을 관측하며 그 실체를 추적해 왔습니다. 비록 아직 결정적인 증거를 확보하지는 못했지만, 한국의 기초과학연구원(IBS)을 비롯한 전 세계 연구진은 직접 탐색 장치를 통해 이 보이지 않는 유령 입자를 포착하기 위해 정밀한 실험을 이어가고 있습니다. 암흑 에너지는 우주가 단순히 팽창하는 것을 넘어 점점 더 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 통해 그 존재가 드러났습니다. 이는 아인슈타인 방정식에 도입했던 우주 상수와도 깊은 연관이 있습니다. 진공 자체가 에너지를 가지고 있다는 진공 에너지 가설은 암흑 에너지의 가장 유력한 후보로 꼽힙니다. 현대 우주론은 이제 우주가 무엇으로 구성되어 있는지를 넘어, 암흑 에너지가 우주의 거대 구조를 어떻게 변화시키고 미래를 결정짓는지 탐구하는 정밀 과학의 시대로 접어들었습니다. 우주에 대한 대중적인 오해 중 하나는 우주 팽창의 중심이 존재할 것이라는 생각입니다. 하지만 우주는 모든 방향으로 균일하게 팽창하며 특정한 중심점을 갖지 않습니다. 또한 우주가 팽창한다고 해서 태양계 내의 행성 간 거리까지 멀어지는 것은 아닙니다. 이는 국소적인 영역에서는 물질 사이의 중력이 우주 팽창의 힘보다 훨씬 강력하게 작용하기 때문입니다. 이러한 사실들은 우리가 직관적으로 이해하기 어려운 우주의 광활함과 물리 법칙의 정교함을 다시 한번 일깨워 줍니다. 중력파는 아인슈타인이 1916년 일반 상대성 이론을 통해 예견한 시공간의 물결입니다. 거대한 천체가 충돌하거나 폭발할 때 발생하는 이 파동을 실제로 검출하기까지는 무려 100년이라는 시간이 걸렸습니다. 초기에는 아인슈타인 본인조차 그 존재를 확신하지 못하거나 검출 가능성에 회의적이기도 했습니다. 하지만 수많은 과학자의 집념과 기술적 진보를 통해 레이저 간섭계라는 정밀한 장치가 탄생했고, 마침내 2015년 인류는 블랙홀 충돌에서 발생한 중력파를 포착하며 우주를 보는 새로운 눈을 갖게 되었습니다. 중력파의 발견은 단순히 이론의 증명을 넘어 천문학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이전까지는 빛으로만 우주를 관측할 수 있었기에 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀의 존재는 추측의 영역에 머물러 있었습니다. 그러나 중력파는 블랙홀의 병합 과정을 직접적으로 증명해 냈으며, 중성자별의 충돌 현상인 킬로노바를 관측하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이는 우주에서 금과 같은 무거운 원소들이 어떻게 생성되었는지 밝혀내는 등 연금술과도 같은 우주의 비밀을 푸는 열쇠가 되었습니다. 기초 과학의 발견이 당장 우리 삶에 경제적 이득을 가져다주는 것은 아닙니다. 하지만 과거 뉴턴의 물리 법칙이 산업 혁명의 토대가 되고 아인슈타인의 상대성 이론이 GPS 기술의 근간이 되었듯, 중력파와 암흑 우주에 대한 연구는 미래 인류에게 상상할 수 없는 혜택을 제공할 것입니다. 우주의 기원과 구조를 이해하려는 끊임없는 탐구는 인류의 지적 지평을 넓히는 동시에, 우리가 살고 있는 이 거대한 세계에 대한 경외심을 불러일으킵니다. 과학은 그렇게 보이지 않는 것을 증명하며 미래를 설계하고 있습니다.

오정근, 임명신, 황호성

카오스재단카오스강연

천문학