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[인터뷰] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험"

중성미자는 원자핵이 붕괴하거나 융합될 때 발생하는 아주 작은 입자로, 우주 초기부터 존재해 온 신비로운 존재입니다. 지금 이 순간에도 태양에서 생성된 수많은 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있지만, 일반 물질과 거의 상호작용하지 않아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 1930년대에 처음 이론적으로 예측된 이후, 현대 과학은 이 보이지 않는 입자를 인공적으로 만들어내고 관측하는 수준에 도달했습니다. 특히 우리나라는 원자로가 많아 중성미자 연구에 최적의 환경을 갖추고 있으며, 이를 통해 세계적인 수준의 실험 성과를 거두고 있습니다. 우주에는 우리가 알고 있는 물질 외에도 중력으로만 그 존재를 드러내는 암흑물질이 존재합니다. 은하의 회전 속도를 관측해 보면 중심에서 멀어져도 속도가 줄어들지 않는데, 이는 보이지 않는 무언가가 강력한 중력으로 은하를 붙잡고 있음을 의미합니다. 지난 수십 년간 수많은 과학자가 이 실체를 규명하려 노력해 왔으나, 아직 우리가 아는 입자 중에는 이를 설명할 수 있는 대상이 없습니다. 현재는 암흑물질이 일반 물질과 어떤 상호작용을 하는지 밝혀내기 위한 정밀한 탐색 실험들이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 입자물리학의 역사에서 중성미자가 서로 다른 종류로 변신한다는 '중성미자 진동' 현상의 발견은 매우 중요한 전환점이었습니다. 전자, 뮤온, 타우 중성미자가 일정한 비율로 섞이며 상태가 변하는 이 과정은 우주의 근본 원리를 이해하는 핵심 열쇠입니다. 한국 연구진은 이 진동의 정도를 결정하는 변수 중 가장 측정하기 어려운 값을 찾아내며 국제 학계에 큰 기여를 했습니다. 이러한 정밀 측정은 단순히 입자의 성질을 파악하는 것을 넘어, 우주가 어떻게 지금과 같은 모습을 갖추게 되었는지에 대한 근원적인 질문에 답하는 과정이기도 합니다. 우주 탄생 초기에는 물질과 반물질이 같은 양으로 존재했으나, 어느 순간 균형이 깨지면서 물질이 아주 미세하게 더 많이 살아남게 되었습니다. 만약 이 대칭성이 깨지지 않았다면 물질과 반물질은 모두 소멸하여 현재의 인류와 우주는 존재할 수 없었을 것입니다. 과학자들은 이 미묘한 비대칭의 비밀이 중성미자에 숨겨져 있다고 믿고 있습니다. 현재 미국과 일본을 비롯한 전 세계 연구팀은 향후 수십 년을 내다보며 물질과 반물질의 비대칭 계수를 측정하기 위한 거대 프로젝트를 추진 중이며, 이는 인류의 기원을 밝히는 중요한 여정이 될 것입니다. 과학 연구는 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 미지의 세계를 향한 즐거운 탐험이자 일종의 몰입감 넘치는 취미와도 같습니다. 새로운 가설을 세우고 이를 증명해 나가는 과정에서 겪는 수많은 실패는 좌절의 이유가 아니라, 안 되는 방법을 하나씩 지워나가는 논리적인 진보의 과정입니다. 가능성이 없는 길을 빠르게 판단하고 전환하는 '빠른 실패'의 태도는 연구의 효율성을 높이는 중요한 전략이 됩니다. 시도조차 하지 않는 것이야말로 진정한 실패라는 마음가짐으로 끝까지 도전하는 자세가 현대 과학을 지탱하는 진정한 원동력이라 할 수 있습니다.

유종희

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물리학
천문학

[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

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물리학

[강연] 양자역학의 두 역설이 우리에게 주는 의미_by 정현석 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 7강 | 7강

고전역학은 초기 조건만 완벽히 안다면 미래를 정확히 예측할 수 있다는 결정론적 세계관을 바탕으로 합니다. 하지만 양자역학의 등장은 이러한 상식을 뒤흔들었습니다. 동일한 조건에서도 실험 결과가 확률적으로 나타나며, 측정이라는 행위가 결과에 결정적인 영향을 미치기 때문입니다. 이는 자연의 본질이 비결정론적인지, 아니면 우리가 아직 모르는 숨은 변수가 존재하는지에 대한 심오한 철학적 논쟁을 불러일으켰습니다. 양자역학의 핵심 원리 중 하나는 양자 중첩입니다. 미시 세계의 입자는 관측되기 전까지 여러 상태가 동시에 존재하는 양자 중첩 상태에 머물 수 있습니다. 전자의 이중 슬릿 실험은 이를 극명하게 보여줍니다. 전자가 어느 슬릿을 통과했는지 확인하지 않을 때, 전자는 마치 두 경로를 동시에 지난 것처럼 스크린에 간섭 무늬를 남깁니다. 이는 입자가 파동의 성질을 동시에 지니고 있음을 의미하며, 고전적인 직관으로는 이해하기 어려운 현상입니다. 흥미로운 점은 우리가 전자의 경로를 확인하려 시도하는 순간 간섭 무늬가 사라진다는 사실입니다. 직접적인 관측뿐만 아니라, 양자 얽힘 상태의 입자를 이용해 간접적으로 경로 정보를 얻으려 해도 양자 중첩 상태는 붕괴됩니다. 우주의 그 누구라도 경로 정보를 알 수 있는 상태가 되면 양자적 간섭은 사라지고 고전적인 통계 분포만 남게 됩니다. 이는 정보의 유출 자체가 양자 상태에 물리적인 변화를 일으킨다는 것을 시사하며 측정의 특별한 지위를 보여줍니다. 양자 얽힘은 두 입자가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 하나의 상태처럼 연결되어 있는 현상을 말합니다. 아인슈타인은 이를 '유령 같은 원거리 상호작용'이라 부르며 비판했습니다. 그는 물리적 실재가 측정과 독립적으로 존재해야 하며, 빛보다 빠른 영향력은 불가능하다는 국소적 실재론을 고수했습니다. EPR 역설은 양자역학이 이러한 상식적인 가정을 만족하지 못하므로 불완전한 이론일 수 있다는 의구심에서 제기된 사고 실험이었습니다. 존 벨은 국소적 실재론이 맞다면 반드시 지켜져야 하는 수학적 부등식을 제안하며 이 논쟁을 실험의 영역으로 끌어들였습니다. 이후 클라우저, 아스페, 차일링거 등의 물리학자들은 정교한 실험을 통해 벨의 부등식이 위배됨을 증명했습니다. 이는 아인슈타인의 믿음과 달리 자연이 국소적 실재론을 따르지 않음을 보여준 기념비적인 사건이었습니다. 이들의 공로는 2022년 노벨 물리학상으로 인정받으며 양자역학의 비국소성을 확고히 했습니다. 양자역학의 기묘한 현상을 이해하기 위해 다세계 해석이나 드브로이-봄 이론 같은 다양한 해석들이 존재합니다. 다세계 해석은 측정이 일어날 때마다 우주가 여러 갈래로 갈라진다고 보며 결정론을 복원하려 합니다. 반면 드브로이-봄 이론은 비국소적인 숨은 변수를 도입하여 국소적 실재론을 유지합니다. 이러한 해석들은 양자역학의 수학적 결과는 동일하게 예측하지만, 우리가 사는 세계의 근본적인 구조를 바라보는 방식에서 커다란 차이를 보입니다. 과거에는 철학적 논쟁에 머물렀던 양자 역설은 오늘날 첨단 기술의 핵심 자원이 되고 있습니다. 양자 얽힘과 양자 중첩 원리는 도청이 불가능한 양자 암호 통신과 기존 컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 양자 컴퓨팅 구현의 토대가 됩니다. 벨의 부등식은 이제 실험실에서 도청 여부를 확인하는 실용적인 도구로 활용되기도 합니다. 자연에 대한 근본적인 질문에서 시작된 탐구가 인류의 기술 문명을 혁신하는 강력한 동력으로 진화하고 있는 것입니다.

정현석

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물리학

[강연] 양자 세계와 인류의 동행 _by정현석｜2022 서울대 자연과학 공개강연 '과학 동행' | 2부 ①

빛의 본질에 대한 탐구는 물리학 역사의 핵심적인 줄기입니다. 과거 뉴턴은 빛을 작은 알갱이들의 흐름인 입자로 보았고, 호이겐스는 매질을 통해 에너지가 전파되는 파동설을 주장하며 대립했습니다. 19세기 맥스웰은 빛이 매질 없이도 전파되는 전자기파임을 밝혀내며 물리학의 위대한 발견을 이룩했습니다. 그러나 20세기 초 플랑크와 아인슈타인은 빛에도 쪼개질 수 없는 에너지의 최소 단위인 광자가 존재함을 증명하며 입자설을 다시 소환했습니다. 오늘날 우리는 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 지닌다는 사실을 알고 있으며, 이는 양자역학이라는 거대한 학문의 문을 여는 열쇠가 되었습니다. 단일 광자를 이용한 실험은 우리의 직관을 뛰어넘는 양자 세계의 신비로움을 보여줍니다. 빛의 절반은 투과시키고 절반은 반사하는 반거울에 광자 하나를 보내면, 광자는 위쪽이나 아래쪽 검출기 중 한 곳에서 정확히 50%의 확률로 발견됩니다. 하지만 두 개의 반거울을 이용해 경로를 정교하게 구성하면 상황이 달라집니다. 입자라면 당연히 반반의 확률로 나뉘어야 할 상황임에도 불구하고, 특정 검출기에서만 광자가 관측되는 현상이 발생합니다. 이는 쪼개질 수 없는 단일 광자가 마치 파동처럼 두 경로를 동시에 지나며 스스로와 간섭을 일으키고 있음을 시사하는 놀라운 결과입니다. 양자역학은 이러한 기묘한 현상을 설명하기 위해 '양자 중첩'이라는 개념을 도입합니다. 관측하기 전의 광자는 경로 A에 있는 상태와 경로 B에 있는 상태가 선형적으로 겹쳐진 상태로 존재합니다. 이는 단순히 '이쪽 아니면 저쪽'이라는 고전적인 논리로는 설명할 수 없는 새로운 존재론적 범주입니다. 과학자들은 이러한 중첩 상태를 추상적인 수학적 도구인 파동 함수로 기술하며, 우리가 직접 확인하지 않는 동안 입자가 가질 수 있는 모든 가능성을 동시에 품고 있다는 사실을 인정하게 되었습니다. 이러한 중첩은 파동의 중첩과는 또 다른 양자역학만의 고유한 특성이라 할 수 있습니다. 흥미로운 점은 우리가 광자가 어느 경로로 가는지 확인하려 드는 순간, 이 신비로운 간섭 효과가 즉시 사라진다는 것입니다. 검문소를 설치해 경로 정보를 알아내면 광자는 중첩 상태를 잃고 하나의 경로로만 움직이는 입자처럼 행동하기 시작합니다. 심지어 직접 건드리지 않고 간접적인 방식으로 정보를 얻으려 해도 결과는 마찬가지입니다. 자연은 우주의 그 누구도 경로 정보를 모르는 비밀스러운 상태일 때만 양자 간섭이라는 무늬를 허락합니다. 정보의 유무가 물리적 실재의 행동 방식을 결정한다는 이 사실은 관찰자와 대상 사이의 관계에 대한 근본적인 질문을 던집니다. 중첩의 원리를 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 현상이 나타납니다. 두 입자가 얽히게 되면 아무리 멀리 떨어져 있어도 한쪽의 상태를 측정하는 순간 다른 쪽의 상태가 즉각적으로 결정됩니다. 아인슈타인은 이를 '유령 같은 원거리 상호작용'이라 부르며 현대 물리학의 완전성에 의문을 제기하기도 했습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 이 현상은 실재함이 증명되었으며, 우리 우주가 국소적인 실재론에 갇혀 있지 않음을 보여주었습니다. 양자 얽힘은 이제 단순한 철학적 논쟁을 넘어 양자 통신과 양자 암호 등 미래 정보 기술을 구현하는 핵심적인 자원으로 활용되고 있습니다. 거시 세계에서 양자 현상을 보기 어려운 이유는 '결어긋남' 현상 때문입니다. 총알이나 고양이처럼 큰 물체는 주변 환경과 끊임없이 상호작용하며 자신의 경로 정보를 외부로 흘립니다. 이 과정에서 양자 중첩은 매우 빠르게 파괴되어 우리 눈에는 고전적인 상태로만 보이게 됩니다. 슈뢰딩거의 고양이가 생사의 중첩 상태에 있기 어려운 이유도 바로 이 때문입니다. 과학자들은 극저온 환경을 만들거나 진공 상태를 유지함으로써 이러한 결어긋남을 억제하고, 거시적 규모에서도 양자 효과를 유지하려는 도전을 계속하고 있습니다. 이는 양자역학의 적용 한계를 시험하는 중요한 연구 분야입니다. 양자 중첩과 얽힘은 이제 양자 컴퓨터라는 혁신적인 기술의 토대가 되고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 큐비트는 특정 문제에서 고전 컴퓨터를 압도하는 병렬 처리 능력을 보여줄 잠재력을 지닙니다. 비록 현재는 소음과 결어긋남이 존재하는 'NISQ 시대'에 머물러 있지만, 오류 정정 기술과 제어 기술의 발전은 인류를 본격적인 양자 정보 시대로 인도할 것입니다. 인류가 불을 발견하고 길들여 문명을 발전시켰듯이, 이제는 양자 세계의 기묘한 현상들을 길들여 새로운 도약을 준비하고 있습니다. 우리는 양자역학의 궁극적인 검증과 기술적 완성을 눈앞에 둔 흥미로운 시대에 살고 있습니다.

정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[강연] CERNprise!: CERN에서는 대체 무슨 일이? _ by윤진희ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 1강 | 1강

인간은 주변 현상에 대해 끊임없이 의문을 품습니다. 지구가 왜 도는지, 밤하늘의 별은 몇 개인지와 같은 원초적인 호기심은 인류 역사의 시작과 함께해 왔습니다. 이러한 궁금증에 답을 찾아가는 과정이 자연스럽게 과학이라는 학문으로 연결되었습니다. 물리학은 우리가 가보지 못한 먼 우주부터 눈에 보이지 않는 아주 작은 세계까지, 인간이 인지할 수 있는 모든 대상을 탐구하며 지식의 지평을 넓혀가는 경이로운 여정입니다. 특히 보이지 않는 세계를 향한 탐구는 물질의 본질을 이해하는 핵심이 됩니다. 물리학이 다루는 규모는 상상을 초월할 정도로 방대합니다. 10의 29승 미터에 달하는 거대한 우주를 다루는 거시 세계부터, 10의 -15승 미터 규모의 초미시 세계까지 모두 물리학의 연구 대상입니다. 이는 10분의 1로 나누는 과정을 무려 15번이나 반복해야 도달할 수 있는 극미의 영역입니다. 인간의 감각으로는 도저히 가늠할 수 없는 이 넓은 범위를 실험과 이론을 통해 하나씩 밝혀내고 있다는 점은 물리학이 가진 가장 큰 매력 중 하나라고 할 수 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 물질은 쪼개고 쪼개다 보면 원자에 도달합니다. 하지만 과학의 발전은 원자 너머의 세계를 보여주었습니다. 원자는 다시 전자와 핵으로 나뉘고, 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 여기서 멈추지 않고 현대 물리학은 양성자와 중성자 내부에서 '쿼크'라는 더 기본적인 입자를 찾아냈습니다. 현재 우리는 쿼크를 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자로 믿고 있으며, 이들이 어떻게 결합하여 물질을 형성하는지 연구하고 있습니다. 초미시 세계를 관찰하기 위해서는 특별한 도구가 필요합니다. 아주 작은 입자들은 일반적인 현미경으로는 볼 수 없기 때문에 가속기와 검출기를 사용합니다. 가속기는 입자를 높은 에너지로 가속하여 충돌시키는 역할을 하며, 이는 마치 호두 내부를 보기 위해 껍질을 깨는 망치와 같습니다. 입자가 충돌하며 발생하는 신호를 포착하여 내부 구조를 분석함으로써, 우리는 직접 볼 수 없는 극미의 세계에서 어떤 일이 벌어지고 있는지 간접적으로 확인할 수 있습니다. 가속기 기술의 정점은 유럽핵입자물리연구소인 CERN의 거대 강입자 가속기입니다. 지하 100미터 깊이에 설치된 이 장치는 둘레가 무려 27km에 달하며, 빛에 가까운 속도로 입자를 가속합니다. 과거에는 안개 상자나 거품 상자를 이용해 입자의 궤적을 눈으로 직접 확인하며 분석했지만, 오늘날의 실험은 거대한 격납고 규모의 검출기를 통해 이루어집니다. 여기서 쏟아지는 방대한 데이터는 컴퓨터 분석을 거쳐 우주와 물질의 비밀을 푸는 열쇠가 됩니다. 현대 입자 물리학의 근간인 표준 모형은 물질을 구성하는 입자들과 이들 사이의 상호작용을 설명합니다. 여섯 종류의 쿼크와 경입자, 그리고 이들 사이에서 힘을 전달하는 매개 입자들이 정교한 가계도를 이룹니다. 특히 2013년에 발견된 힉스 보존은 다른 입자들에게 질량을 부여하는 중요한 역할을 수행합니다. 자연계의 네 가지 기본 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력 중 초미시 세계에서 결정적인 역할을 하는 강력을 이해하는 것은 물질의 탄생 원리를 밝히는 핵심 과제입니다. CERN에서 진행되는 앨리스 실험은 납 이온을 충돌시켜 우주 탄생 직후의 상태를 재현합니다. 이는 약 138억 년 전 빅뱅 직후의 뜨거웠던 우주 역사를 거슬러 올라가는 과정과 같습니다. 수천 명의 과학자가 협력하여 찰나의 순간에 벌어지는 입자들의 변화를 추적하며 인류 지식의 최전선을 확장하고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리가 어디에서 왔으며 우주는 어떻게 형성되었는지에 대한 근원적인 질문에 답을 제시하려는 숭고한 노력입니다.

윤진희

카오스재단카오스강연

물리학

[연구뭐하지] 김근수 교수_연세대학교 '밴드구조제어연구단' | 실험과 이론 어느 것도 놓치고 싶지 않아! 모멘텀 공간의 전자 구조를 가장 정밀하게 측정할 수 있는 곳

고체 물리학은 우리 주변 물질의 다양한 성질을 과학적으로 분석하고 제어하는 학문입니다. 연세대학교 밴드구조제어연구단은 고체 내 전자들이 실제 공간이 아닌 운동량 공간에서 형성하는 구조를 정밀하게 측정하는 데 집중합니다. 이러한 전자 구조는 물질의 투명도나 전기 전도성 같은 기본적인 물성부터 초전도 현상과 같은 신비로운 물리적 특성까지 결정하는 핵심적인 틀이 됩니다. 연구진은 이를 통해 물질의 메커니즘을 파악하고 인류에게 유용한 방식으로 제어하는 것을 궁극적인 목표로 삼고 있습니다. 기초 과학의 연구 성과는 세상에 미치는 파급 효과가 매우 넓고 깊습니다. 특히 상온 초전도체의 구현은 현대 물리학이 추구하는 거대한 목표 중 하나로, 이것이 실현된다면 인류의 에너지 문제는 획기적인 전환점을 맞이하게 될 것입니다. 전력 수송 과정에서의 에너지 손실을 거의 완벽하게 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 자기 부상 열차와 같은 효율적인 교통 시스템을 통해 사회 전반의 비용을 획기적으로 절감할 수 있기 때문입니다. 이러한 변화는 단순한 기술 발전을 넘어 우리 삶의 방식을 근본적으로 바꾸는 계기가 될 것입니다. 물질의 성질을 깊이 있게 이해하기 위해 연구실에서는 각분해 광전자 분광기(ARPES)라는 첨단 장비를 활용합니다. 이 장비는 물질 내부 전자의 에너지와 운동량 관계를 직접적으로 측정하여 전자 구조를 시각화하는 역할을 합니다. 흥미로운 점은 이러한 실험 과정이 단순히 데이터를 얻는 것에 그치지 않고 이론적인 계산과 밀접하게 연결되어 있다는 것입니다. 학생들은 직접 전자 구조를 계산하고 이를 실험 결과와 비교하며, 이론과 실험이 결합된 입체적인 연구를 수행함으로써 물리학자로서의 역량을 다각도로 성장시킬 수 있습니다. 연구의 지평을 넓히기 위해 연구진은 국내외의 다양한 방사광 가속기 연구소를 적극적으로 활용하고 있습니다. 포항 방사광 가속기를 비롯하여 미국 UC 버클리의 ALS, 영국의 다이아몬드 라이트 소스 등 세계적인 연구 시설을 방문하여 실험을 진행합니다. 이러한 해외 출장은 단순히 연구 장비를 사용하는 기회를 넘어, 24시간 넘게 이어지는 치열한 실험 과정 속에서 선후배 간의 노하우를 전수하고 협력하는 소중한 시간이 됩니다. 낯선 환경에서의 고된 연구 과정은 연구자로서의 끈기를 기르고 글로벌 감각을 익히는 밑거름이 됩니다. 대학원 진학을 고민하는 학생들에게 가장 중요한 것은 지도 교수와의 가치관 공유입니다. 연구 분야의 구체적인 내용도 중요하지만, 교수가 지향하는 연구 스타일과 가치가 본인의 성향과 얼마나 잘 맞는지가 장기적인 성장에 더 큰 영향을 미치기 때문입니다. 전문성을 갖추어 가는 과정은 때로 고통스럽고 치열한 인내를 요구하지만, 국제 무대에서 인정받는 성과를 만들어냈을 때의 성취감은 그 무엇과도 바꿀 수 없습니다. 미래를 위한 투자를 아끼지 않고 세계적인 연구자로 거듭나고자 하는 열정은 연구실을 지탱하는 가장 큰 원동력이 됩니다.

김근수

카오스재단연구뭐하지

물리학

[인터뷰] 최기운 _ 초대칭, 암흑물질, 그리고 대통일이론ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

입자 물리학은 우리가 마주하는 모든 현상의 근원적인 원인을 탐구하는 학문입니다. 어떤 현상을 보더라도 '왜'라는 질문을 거듭하다 보면 결국 물질을 구성하는 가장 작은 단위인 기본 입자의 세계에 도달하게 됩니다. 이는 단순히 작은 것을 연구하는 데 그치지 않고, 우주의 역사를 거슬러 올라가는 과정이기도 합니다. 현재의 우주는 과거의 결과물이며, 그 시작점에는 기본 입자들의 상호작용이 있었기 때문입니다. 따라서 입자 물리학은 인류가 던질 수 있는 가장 근본적인 질문에 답을 찾으려는 특별한 과학 분야라고 할 수 있습니다. 이 분야의 연구는 마치 아무런 정보 없이 신대륙을 찾아 떠나는 항해와 같습니다. 대부분의 과학은 연구 대상의 존재를 알고 시작하지만, 입자 물리학은 지식의 최전선에서 무엇이 존재할지 모르는 채 나아갑니다. 특히 거대 강입자 가속기를 이용한 실험은 수십 년의 시간과 초정밀 기술이 필요하며, 막대한 노력을 기울여도 아무것도 발견하지 못하는 경우가 허다합니다. 그럼에도 불구하고 이론 물리학자들은 수학적 논리와 직관을 바탕으로 새로운 물리 법칙의 가능성을 제시하며, 보이지 않는 신세계를 향한 이정표를 세우는 고독하고도 위대한 여정을 지속합니다. 현대 입자 물리학에서 중요하게 다뤄지는 개념 중 하나는 '초대칭'입니다. 이는 우리가 일상에서 경험하는 좌우 대칭이나 회전 대칭을 넘어선 기묘한 양자역학적 대칭성입니다. 초대칭 이론에 따르면 우리가 사는 시공간에는 일반적인 차원과는 성질이 다른 새로운 차원이 존재합니다. 이 차원에서는 360도를 회전했을 때 제자리로 돌아오는 것이 아니라 부호가 바뀌는 독특한 특성을 가집니다. 이러한 원리에 따라 세상의 모든 기본 입자에게는 성질이 다른 '초대칭 짝입자'가 반드시 존재해야 하며, 이는 우주의 구조를 이해하는 핵심 열쇠로 여겨집니다. 과학자들은 거대 강입자 가속기(LHC)를 통해 이러한 초대칭의 흔적을 발견하기를 고대해 왔습니다. 2010년경 실험이 시작될 당시, 인류가 도달한 최고의 에너지 영역에서 새로운 물리 법칙이 모습을 드러낼 것이라는 기대가 컸습니다. 비록 힉스 보손을 발견하는 기념비적인 성과를 거두었지만, 안타깝게도 기대했던 초대칭 짝입자나 완전한 신세계의 증거는 아직 발견되지 않았습니다. 우리가 건조한 배가 도달할 수 있는 거리 안에 아직 신대륙이 나타나지 않은 셈이지만, 이는 오히려 더 높은 에너지와 정밀도를 갖춘 미래의 탐구를 자극하는 계기가 되고 있습니다. 인류는 이제 모든 물리 현상을 하나의 원리로 설명하는 '만물의 이론'을 꿈꾸고 있습니다. 뉴턴이 지상과 천상의 운동을 통일하고 맥스웰이 전자기와 빛을 통합했듯이, 현대 물리학은 강력, 약력, 전자기력을 하나의 틀 안에서 이해하려 노력합니다. 그 연장선상에서 현재 가장 큰 화두는 우주의 대부분을 차지하지만 정체가 베일에 싸인 '암흑 물질'을 찾는 것입니다. 윔프나 액시온 같은 후보를 추적하는 연구는 노벨상 이상의 가치를 지닌 인류 지성의 도전이며, 이 거대한 수수께끼를 풀었을 때 우리는 비로소 우주의 진정한 설계도에 한 걸음 더 다가서게 될 것입니다.

최기운

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물리학
천문학

[연구뭐하지] 양범정 교수_서울대학교 '위상물리이론연구실' | 위상 물질 연구로 우주의 구성을 알아보아요

서울대학교 위상물리이론연구실은 고체 물질의 물성을 연구함으로써 우주의 근본 원리를 탐구하는 곳입니다. 이곳의 주된 연구 주제인 위상 물질은 그 성질을 결정하는 근본 입자들이 우주 공간에 존재하는 입자들과 유사한 특성을 지니고 있습니다. 연구진은 고체 내의 입자 거동을 분석하여 우주를 구성하는 입자들의 성질을 규명하고자 노력합니다. 이는 거대한 우주의 신비를 작은 고체 물질이라는 매개체를 통해 실험실 안에서 확인하려는 독특하고도 매력적인 접근 방식이라 할 수 있습니다. 연구실에서는 응집물질물리학 이론 전반을 다루며, 특히 위상적 성질을 가진 물질에 깊은 관심을 두고 있습니다. 최근에는 위상 반금속뿐만 아니라 위상 초전도체에 관한 연구가 활발히 진행 중입니다. 어떤 환경에서 이러한 초전도 현상이 가장 안정적으로 나타나는지, 그리고 그 물질이 가진 고유한 위상적 성질을 어떠한 방식으로 관측할 수 있는지가 주요 연구 과제입니다. 이론적 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 정교한 접근이 이 연구의 핵심을 이룹니다. 이곳의 연구 문화는 매우 수평적이고 자유로운 분위기를 자랑합니다. 구성원들이 각자 상이한 세부 주제를 연구하고 있음에도 불구하고, 서로의 연구에 대해 자연스럽게 토론하고 의견을 나누는 문화가 정착되어 있습니다. 새로운 분야를 공부할 때 동료들과의 지적 교류는 큰 힘이 되며, 이는 연구실 내의 활발한 토론 문화를 활성화하는 계기가 됩니다. 또한, 퇴근 후 배드민턴과 같은 운동을 함께 즐기며 체력을 기르고 유대감을 쌓는 등 일과 삶의 균형을 중시하는 모습도 인상적입니다. 대학원 과정은 스스로 문제를 설정하고 해결책을 찾아가는 고독하고도 치열한 과정입니다. 따라서 지적인 자신감과 더불어 새로운 문제에 도전하려는 강한 의지가 필요합니다. 연구는 단거리 경주가 아닌 장기전이기에, 공부에만 매몰되기보다는 운동과 같은 취미를 통해 건강한 체력을 유지하는 것이 중요합니다. 창의적인 아이디어를 가지고 문제를 함께 고민할 준비가 된 학생들에게 이곳은 열려 있습니다. 단순한 지식 습득을 넘어 자신만의 연구 분야에서 전문가로 성장하려는 태도가 무엇보다 강조됩니다. 고체물리학의 가장 큰 매력은 이론과 실험의 조화를 직접 확인할 수 있다는 점에 있습니다. 위상 물질을 구성하는 저에너지 근본 입자들은 여러 형태의 새로운 페르미온으로 이루어져 있는데, 이는 우주 공간에 존재하는 입자들과 그 궤를 같이합니다. 우주 공간의 입자들은 실험적 검증이 매우 어렵지만, 고체 내의 페르미온은 실험실에서의 측정을 통해 그 물성을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 접근성은 기초 과학의 근본적인 질문에 대한 답을 보다 명확하고 구체적으로 제시해 주는 중요한 통로가 됩니다.

양범정

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물리학

[연구뭐하지] 이원종 교수_서울대학교 '격자게이지이론연구실' | 시공간을 유한하게 쪼개는 격자게이지이론

현대 물리학에서 시공간은 본래 연속적인 개념이지만, 이를 컴퓨터로 구현하기에는 자유도가 무한하다는 한계가 있습니다. 격자게이지이론은 이러한 시공간을 유한한 격자 형태로 쪼개어 컴퓨터 프로그래밍이 가능하도록 만드는 혁신적인 방법론입니다. 연구자들은 복잡한 자연의 강력 현상을 수치화하여 계산한 뒤, 격자 간격을 다시 영으로 수렴시키는 과정을 통해 우리가 실제로 살아가는 연속적인 시공간의 물리적 결과를 도출해냅니다. 이는 기존의 해석적인 방법으로는 풀기 어려웠던 복잡한 방정식들을 해결하는 핵심적인 열쇠가 되어 현대 물리학의 발전을 이끌고 있습니다. 물리학의 세계는 새로운 이론을 제안하는 이론 물리와 이를 객관적으로 검증하는 실험 물리로 나뉩니다. 격자게이지이론 연구실은 손으로 직접 계산하기 어려운 이론치들을 슈퍼컴퓨터를 활용해 정밀하게 산출해내는 역할을 수행합니다. 이렇게 도출된 이론치가 실험치와 일치하는지 확인함으로써 현대 물리학의 근간인 표준 모형의 정밀도를 검증하며, 기존 이론이 가진 잠재적인 문제점이나 새로운 물리 법칙의 가능성을 깊이 있게 탐구합니다. 이론과 실험의 간극을 메우는 이러한 작업은 우주의 근본 원리를 이해하는 데 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 연구진은 엡실론 K 파라미터나 메존의 붕괴 상수와 같은 정밀한 물리량들을 계산하기 위해 직접 슈퍼컴퓨터를 설계하고 구축합니다. 시중의 부품들을 직접 조립하고 운영체제를 설치하며 연구에 최적화된 계산 환경을 만드는 과정은 그 자체로 거대한 도전입니다. 때로는 컴퓨터를 구축하는 데에만 수년의 시간이 소요되기도 하지만, 이러한 과정을 통해 연구자들은 물리학적 지식뿐만 아니라 고도의 전산 능력까지 겸비하게 됩니다. 성경 속 지명을 딴 컴퓨터들은 지금 이 순간에도 우주의 신비를 풀기 위한 방대한 연산을 묵묵히 수행하며 연구의 든든한 버팀목이 되어줍니다. 연구실의 교육 철학은 단순히 지식을 전달하는 것을 넘어, 학계에서 독자적으로 생존할 수 있는 연구자를 양성하는 데 집중되어 있습니다. 지도 교수의 엄격한 훈련 방식은 학생들이 자신의 연구 결과에 대해 누구에게도 의존하지 않고 스스로 증명해낼 수 있는 역량을 갖추게 하려는 의도에서 비롯됩니다. 이러한 혹독한 과정은 연구자가 학계의 리더로서 성장하기 위한 필수적인 밑거름이 됩니다. 자유로운 토론 분위기와 서로의 시간을 존중하는 문화 속에서 학생들은 점차 한 사람의 당당한 과학자로서 주체성을 확립해 나가며 미래의 연구를 준비합니다. 격자게이지이론의 길은 과거 프린스턴 대학교와 컬럼비아 대학교 시절, 컴퓨터를 활용한 물리 연구의 비전을 제시받았던 경험에서 시작되었습니다. 양성자의 질량이나 하드론의 특성을 직접 계산해낼 수 있다는 사실은 연구자들에게 커다란 지적 호기심과 재미를 선사합니다. 이론적으로만 존재하던 이론치들을 컴퓨터를 통해 구체화하고, 이를 실제 실험 결과와 대조해보는 과정은 물리학이 가진 본연의 매력을 보여줍니다. 비록 과정은 어렵고 복잡할지라도 우주의 근본 원리를 수치로 증명해가는 여정은 과학자들에게 멈출 수 없는 열정의 원동력이 되어줍니다.

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물리학
천문학

[연구뭐하지] 김기훈 교수_서울대학교 '첨단복합물질상태 연구실' | 극한 물리 조건 속 물질의 현상을 이해하다!

극한 조건 물리 연구는 일상에서 접하기 힘든 물리적 환경에서 물질이 어떻게 거동하는지를 탐구하는 학문입니다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체를 대상으로 초고자기장이나 초고압, 그리고 절대영도에 가까운 극저온 상태를 인위적으로 조성하여 그 속에서 나타나는 새로운 물성을 근본적으로 이해하고자 노력합니다. 이러한 연구는 물질의 본질적인 특성을 파악하고 인류가 아직 도달하지 못한 물리적 영역을 개척하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 특히 복합적인 원소들로 이루어진 신물질을 직접 합성하고 그 변화를 관찰하는 과정은 현대 물리학의 지평을 넓히는 핵심적인 작업이라 할 수 있습니다. 연구의 시작은 세상에 없던 신물질을 합성하는 것에서부터 출발합니다. 최소 3개에서 5개에 이르는 다양한 원소들을 조합하여 신물질을 만들어내고, 이를 단결정이나 다결정, 혹은 얇은 박막 형태로 성장시킵니다. 이렇게 탄생한 시료들에 극저온과 초고압, 초고자기장이라는 극한의 조건을 가했을 때 일어나는 현상을 종합적으로 측정합니다. 이는 단순히 이론적인 예측을 넘어 실제 물질이 보여주는 경이로운 변화를 직접 확인하고 데이터로 증명해내는 도전적인 과정입니다. 연구자들은 이러한 과정을 통해 물질의 숨겨진 원리를 하나씩 밝혀나갑니다. 초전도체나 자성 연구를 수행하기 위해서는 온도를 2~4 켈빈 수준의 극저온으로 낮추는 기술이 필수적입니다. 이를 위해 액체 헬륨이 사용되는데, 비용 문제로 인해 일반적인 연구 환경에서는 접근이 쉽지 않은 경우가 많습니다. 하지만 체계적인 인프라가 갖춰진 연구실에서는 액체 헬륨 수급에 대한 걱정 없이 실험에 몰입할 수 있는 환경을 제공합니다. 안정적인 저온실 운영은 연구자들이 물리적 한계에 도전하며 다양한 실험적 시도를 마음껏 펼칠 수 있게 하는 든든한 기반이 됩니다. 이러한 인프라는 연구의 질을 높이고 실험의 연속성을 보장하는 핵심 자산입니다. 연구의 무대는 국내에만 국한되지 않고 전 세계로 확장됩니다. 특히 초고자기장 실험의 경우 미국 탈라하시에 위치한 국립 고자기장 연구소와 같은 세계적인 기관과 협력하여 수행되기도 합니다. 학생들은 해외 출장을 통해 글로벌 연구 트렌드를 익히고 국제 학회에 참여하며 시야를 넓힐 기회를 얻습니다. 또한 장기적인 연구를 위해 체력 관리와 어학 공부를 지원하는 등 연구자의 성장을 돕는 복지 체계는 학생들이 연구에 전념하면서도 균형 잡힌 생활을 유지할 수 있도록 돕는 중요한 요소입니다. 이는 학계에서 글로벌한 역량을 발휘할 수 있는 밑거름이 됩니다. 극한 조건 물리 연구실을 상징하는 키워드는 '수제 맥주와 운동화'입니다. 이는 직접 무언가를 만들어내는 즐거움과 미지의 영역을 향해 끊임없이 발을 내딛는 탐험 정신을 의미합니다. 우주 전체를 놓고 보았을 때 지구 밖의 수많은 물질은 이미 극한의 조건 속에 놓여 있으며, 이를 연구하는 것은 인류가 아직 가보지 못한 영역에 발자국을 남기는 일과 같습니다. 창의적인 노력과 진취적인 자세를 가진 연구자들에게 이 분야는 무궁무진한 가능성이 열려 있는 도전의 장이 될 것입니다. 새로운 발견을 향한 열정은 곧 인류 지식의 경계를 확장하는 원동력이 됩니다.

김기훈

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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.

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물리학

[연구뭐하지?] 최현용 교수 _ 서울대학교 '초고속 양자 포토닉스 연구실' | 그저 ☆빛빛빛☆ 광학으로 누구보다 빠르게 남들과는 다르게

서울대학교 물리천문학부의 초고속 양자 포토닉스 연구실은 빛을 활용하여 원자 단위의 미세한 세계를 탐구하는 곳입니다. 이곳의 핵심 키워드는 '빠름'으로, 10⁻¹⁵초라는 찰나의 순간을 다루는 펨토초 레이저 기술을 연구의 근간으로 삼고 있습니다. 빛이 단 300나노미터를 이동하는 데 걸리는 극도로 짧은 시간 동안 발생하는 물리적 현상을 포착함으로써, 기존의 측정 방식으로는 관찰하기 어려웠던 양자 물질과 양자 나노 소자의 역동적인 변화를 정밀하게 분석합니다. 연구실에서는 최근 물리 학계에서 큰 주목을 받고 있는 위상 절연체와 2차원 물질의 초고속 전자 동력학을 중점적으로 연구합니다. 짧은 시간 동안만 방출되는 펨토초 레이저를 고체 시료에 조사하여 물질 내부에서 일어나는 복잡한 상호작용을 관찰함으로써 차세대 양자 나노 소자 개발을 위한 기초 토대를 마련하고 있습니다. 이러한 연구는 물질의 근본적인 성질을 이해하고 새로운 물리적 현상을 규명하는 데 중요한 역할을 하며, 미래 기술의 핵심이 될 양자 나노 소자 구현에 기여합니다. 이곳은 연구에만 온전히 집중할 수 있는 합리적인 인프라와 자율적인 분위기를 갖추고 있습니다. 교수님이 제시하는 큰 방향성 안에서 학생들이 스스로 연구 주제와 방법론을 찾아가는 과정은 창의적인 연구자로 성장하는 밑거름이 됩니다. 광학적 기초부터 양자역학, 양자 나노 소자 공학에 이르기까지 폭넓은 분야를 아우르기 때문에 다학제적 연구에 관심이 있는 학생들에게 적합합니다. 실험 과정에서 발생하는 다양한 변수를 적극적으로 해결하려는 의지와 동료들과 협력하는 자세를 갖춘 인재들이 모여 미래의 양자 기술을 선도하고 있습니다.

최현용

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