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먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 6강 2부 21세기의 신대륙, 달🌕의 신비와 가치│카오스강연 시즌2

대한민국 최초의 달 탐사선 다누리는 2022년 발사되어 현재까지 성공적으로 임무를 수행하고 있습니다. 당초 1년으로 계획되었던 임무 기간은 효율적인 궤도 진입 방식을 통해 연료를 획기적으로 절약하면서 5년 이상으로 연장되었습니다. 다누리는 지구에서 약 38만 km 떨어진 달 궤도를 돌며 자기장 측정기와 감마선 분광기 등 정밀 과학 장비를 통해 달의 비밀을 파헤치고 있습니다. 이는 단순한 탐사를 넘어 우리나라의 우주 기술력을 세계에 알리는 중요한 이정표가 되었습니다. 다누리에 탑재된 과학 장비 중 특히 주목할 만한 것은 한국천문연구원이 주관하여 제작한 광시야 편광 카메라입니다. 이 장비는 달 표면의 입자 크기와 우주 풍화 정도를 원격으로 파악하는 세계 최초의 전천 탐사 미션입니다. 빛의 반사 특성을 이용하는 편광 관측은 직접 흙을 채취하지 않고도 달의 토양 성질을 분석할 수 있게 해줍니다. 이 데이터는 향후 달 표면 활동을 위한 로버 설계나 유용한 자원 분포를 예측하는 데 핵심적인 기초 자료로 활용될 예정입니다. 미국 항공우주국(NASA)과의 협력으로 실린 영구음영지역 카메라 '섀도캠'은 달의 남극과 북극 부근, 햇빛이 직접 닿지 않는 크레이터 내부를 정밀하게 관측합니다. 이곳은 1년 내내 극저온이 유지되어 물이 얼음 상태로 존재할 가능성이 매우 높은 지역입니다. 현재까지의 관측 결과에 따르면 표면에 노출된 형태의 얼음은 발견되지 않았으나, 지하 깊은 곳에는 상당량의 얼음이 매장되어 있을 것으로 확신하고 있습니다. 이는 미래 유인 기지 건설과 장기 체류를 위한 필수 자원 확보의 열쇠가 됩니다. 달 표면의 흙 속에 담긴 헬륨-3는 미래 인류의 에너지 문제를 해결할 꿈의 연료로 불립니다. 태양풍에 실려 온 헬륨-3는 달 표면에 수억 년간 축적되어 왔으며, 특히 우주에 오래 노출되어 입자가 작아진 지역일수록 그 보유량이 많을 것으로 예상됩니다. 헬륨-3를 이용한 핵융합 발전은 오염 물질 배출이 거의 없는 친환경 발전 방식입니다. 지구에는 거의 존재하지 않는 이 희귀 자원을 달에서 확보한다면 인류는 무한에 가까운 지속 가능한 에너지원을 얻게 될 것입니다. 달은 헬륨-3 외에도 희토류와 우라늄, 토륨 같은 귀중한 광물 자원의 보고입니다. 특히 달 앞면의 북서쪽 지역은 '크리프(KREEP)'라고 불리는 지형이 발달해 있는데, 이곳은 희토류와 다양한 방사성 원소들이 밀집된 일종의 천연 노출 광산과 같습니다. 지구에서 자원 채굴과 정제 비용이 갈수록 상승하고 환경 파괴 문제가 심각해지는 상황에서, 우주 수송 비용의 하락은 달 자원 채굴을 경제성 있는 대안으로 만들고 있습니다. 이는 에너지 패권의 새로운 장을 여는 결정적인 계기가 될 것입니다. 우주 탐사에서 물은 단순히 식수를 넘어 로켓의 연료와 산화제로 쓰이는 핵심 자산입니다. 달의 약한 중력 덕분에 달에서 생산한 수소와 산소를 지구 궤도로 가져오는 것은 지구에서 직접 쏘아 올리는 것보다 훨씬 경제적입니다. 지구의 강력한 중력을 벗어나기 위해 소모되는 막대한 비용을 고려하면, 달은 미래 우주 항행의 주유소이자 전진 기지 역할을 수행하게 됩니다. 물을 전기 분해하여 에너지를 저장하고 다시 전기를 생산하는 과정은 달 거주 구역의 생존을 지탱하는 핵심 기술이 될 것입니다. 현대의 우주 개발은 국가 간의 자존심 대결을 넘어 생존을 위한 전략적 자산 확보 전쟁으로 변모하고 있습니다. 발사 비용의 혁신적인 하락과 민간 기업의 활발한 참여는 제2의 대항해 시대를 열었습니다. 과거 대항해 시대를 놓쳤던 국가들이 겪어야 했던 역사를 되풀이하지 않기 위해, 현재 주요국들은 달 탐사와 자원 선점에 사활을 걸고 있습니다. 우주는 이제 미지의 영역이 아니라 인류의 생활권이자 경제권으로 편입되고 있으며, 이 거대한 변화의 흐름을 주도하는 것이 국가 경쟁력의 핵심이 될 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

물리학
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[강연] 우리 별 태양, 그 자비로움과 그 난폭함에 대해 1_by 채종철 | 2025-2026 카오스강연 'Across the Universe' 5강 첫 번째 이야기

밤하늘의 무수한 별들 중 우리에게 가장 친숙한 존재는 단연 태양입니다. 태양은 지구에서 가장 가까운 항성으로, 우리 삶의 모든 근원적인 에너지를 제공합니다. 하지만 우리가 매일 마주하는 따스한 햇빛 뒤에는 상상하기 힘든 거대하고 난폭한 에너지가 숨겨져 있습니다. 과학자들은 태양의 성질을 '자비로움'과 '난폭함'이라는 두 가지 키워드로 설명하곤 합니다. 자비로움은 생명체가 살아갈 수 있는 따뜻한 환경을 조성해 주는 햇빛을 의미하며, 난폭함은 행성의 대기를 앗아갈 수도 있는 강력한 태양 폭풍을 뜻합니다. 태양이 수십억 년 동안 일정한 빛을 내뿜으며 자비로움을 베풀 수 있는 비결은 중심부의 수소 핵융합에 있습니다. 태양 중심부에서는 수소 원자핵들이 결합하여 헬륨으로 변하며 엄청난 에너지를 방출합니다. 흥미로운 점은 이 수소 핵융합 반응이 생각보다 매우 느리게 일어난다는 사실입니다. 수소 원자핵 하나가 다른 원자핵과 충돌해 핵융합 반응을 일으키기까지는 평균 100억 년이라는 시간이 걸립니다. 이렇게 느린 핵융합 반응 덕분에 태양은 에너지를 한꺼번에 소진하지 않고 오랫동안 안정적으로 유지될 수 있으며, 이는 지구에 생명체가 탄생하고 번영할 수 있는 결정적인 토대가 되었습니다. 태양의 자비로움은 단순히 에너지의 양에만 그치지 않고 그 질적인 측면에서도 두드러집니다. 태양은 우주의 다른 별들과 비교했을 때 너무 뜨겁지도 차갑지도 않은 중간 정도의 온도를 유지합니다. 만약 태양이 지금보다 훨씬 무겁고 뜨거운 별이었다면 생명체에게 치명적인 강력한 자외선을 쏟아부어 지구상에 생명이 존재하기 어려웠을 것입니다. 또한 태양의 거대한 크기는 느린 수소 핵융합 반응 속도에도 불구하고 지구 전체를 충분히 데울 수 있는 광도를 만들어냅니다. 이러한 안정성은 지난 수억 년 동안 지구 기온을 일정하게 유지하며 생태계의 평화를 지켜온 핵심 동력입니다. 반면 태양의 난폭함은 화성의 사례에서 명확히 드러납니다. 과거의 화성도 지구처럼 바다와 두꺼운 대기를 가진 환경이었을 것으로 추정되지만, 현재는 황량한 행성이 되었습니다. 그 주범은 태양에서 뿜어져 나오는 강력한 태양풍입니다. 초속 수백 킬로미터로 몰아치는 고에너지 입자들은 행성의 대기를 우주로 튕겨내 버립니다. 다행히 지구는 자기권이라는 거대한 보호막을 가지고 있어 태양의 공격으로부터 대기를 지켜냈지만, 자기장을 잃어버린 화성은 난폭한 태양풍을 견디지 못하고 대기를 모두 상실하게 되었습니다. 행성과 항성의 운명을 결정짓는 자기장은 내부의 '다이나모' 현상을 통해 만들어집니다. 다이나모는 자전 운동과 전도성 유체의 흐름, 그리고 대류 운동이 결합하여 전기와 자기 에너지를 생성하는 일종의 천체 발전기입니다. 지구의 경우 액체 상태의 외핵이 부글부글 끓으며 자기장을 형성해 방패 역할을 수행합니다. 태양 역시 내부의 플라스마 대류를 통해 강력한 자기장을 만들어내는데, 이 자기력선들이 밖으로 분출될 때 흑점이 생기고 거대한 태양 폭풍이 발생합니다. 즉, 자기장은 지구에게는 생명을 지키는 방패가 되지만, 태양에게는 에너지를 쏟아내는 창이 됩니다. 우주 과학자들은 과거의 태양이 지금보다 훨씬 더 난폭했을 것으로 보고 있습니다. 젊은 시절의 태양은 현재보다 자전 속도가 약 열 배 정도 빨랐으며, 이는 다이나모 활동을 극대화해 지금과는 비교할 수 없을 만큼 강력한 자기장을 형성했을 것입니다. 강력한 자기장은 거대한 흑점들을 만들고, 이는 곧 '슈퍼 태양 폭풍'이라 불리는 파괴적인 현상을 빈번하게 일으켰을 가능성이 큽니다. 만약 초기 지구가 충분한 자기권을 갖추지 못했다면, 젊은 태양의 끊임없는 폭격 속에서 현재 우리가 누리고 있는 대기와 물을 보존하기는 매우 어려웠을 것입니다. 태양의 난폭함은 먼 과거의 일만이 아닙니다. 1859년 발생한 '캐링턴 사건'은 태양 폭풍이 현대 문명에 얼마나 큰 위협이 될 수 있는지 보여주는 대표적인 사례입니다. 당시 발생한 역대급 태양 폭풍으로 인해 전 세계에 오로라가 관측되었고 초기 전신 시스템이 마비되는 혼란이 벌어졌습니다. 오늘날처럼 인공위성과 전력망에 의존하는 고도화된 문명 사회에서 이러한 슈퍼 태양 폭풍이 다시 발생한다면 그 피해는 상상을 초월할 것입니다. 따라서 태양의 변화를 정밀하게 관측하고 이해하는 연구는 인류의 지속 가능한 미래를 위해 필수적인 과제입니다.

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물리학
지구환경과학
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먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 5강 1부 지구🌏의 거주 가능성에 영향을 미치는 태양☀️ 자기 활동│카오스강연 시즌2

밤하늘을 바라보면 우리는 자연스럽게 우주의 신비로움에 대해 생각하게 됩니다. 우리가 우주를 관찰하고 이해할 수 있다는 사실은 매우 특별한 일입니다. 우주에서 오는 빛 덕분에 우리는 멀리 떨어진 별과 행성, 그리고 그곳에서 일어나는 현상들을 알 수 있습니다. 이처럼 인간이 우주를 관찰하고 분석할 수 있다는 점은 과학자로서 큰 경이로움을 느끼게 합니다. 더 나아가, 우리가 이 우주 안에 존재한다는 사실 자체도 매우 놀라운 일입니다. 많은 사람들이 밤하늘을 보며 '우주에 우리만 있을까?'라는 질문을 던집니다. 천문학자들은 태양계 밖에도 다양한 행성이 존재한다는 사실을 밝혀내고 있습니다. 이 중에는 지구와 비슷한 환경을 가진 행성도 있습니다. 과연 그곳은 생명이 살 수 있을까요? 이러한 질문은 현대 천문학에서 매우 중요한 주제이며, '거주 가능성'이라는 개념으로 연구되고 있습니다. 이 연구의 기준점은 바로 우리가 살고 있는 지구입니다. 지구가 생명체가 살기에 적합한 이유는 태양 덕분입니다. 태양은 수소 핵융합 반응을 통해 엄청난 에너지를 방출하며, 이 에너지가 지구에 안정적이고 오랜 기간 동안 공급됩니다. 태양의 밝기는 그 크기에서 비롯되며, 핵융합 반응이 매우 느리게 일어나기 때문에 태양은 약 100억 년 동안 빛을 낼 수 있습니다. 이러한 안정성과 오랜 지속성 덕분에 지구는 생명체가 번성할 수 있는 환경을 유지할 수 있습니다. 또한 태양빛은 생명체에게 적합한 질적 특성을 가지고 있습니다. 하지만 태양은 자비로운 존재이면서도 동시에 난폭한 면모를 가지고 있습니다. 태양에서 방출되는 태양풍과 코로나 질량 방출 같은 현상은 행성의 대기를 위협할 수 있습니다. 실제로 화성은 과거에 지구처럼 두꺼운 대기와 바다가 있었지만, 태양풍과 태양 폭풍에 의해 대기를 잃고 황량한 행성이 되었습니다. 반면, 지구는 자기장이라는 방패 덕분에 태양의 난폭함으로부터 보호받고 있습니다. 자기장은 지구 내부의 다이나모 효과에 의해 생성되며, 이는 행성의 생존에 매우 중요한 역할을 합니다. 태양과 지구의 자기장은 전도성 유체의 운동과 자전에 의해 만들어집니다. 태양 내부의 대류 운동과 자전, 그리고 지구 핵의 액체 철이 이러한 자기장을 생성하는 원동력입니다. 자기장은 태양에서는 창의 역할을, 지구에서는 방패의 역할을 하며, 행성의 환경을 결정짓는 중요한 요소입니다. 과거에는 화성도 자기장을 가지고 있었으나, 내부 열을 잃으면서 자기장이 사라지고 대기 역시 소실되었습니다. 태양 역시 과거에는 더 빠르게 자전하며 더 강력한 자기장과 태양 폭풍을 만들어냈을 것으로 추정됩니다. 역사적으로 가장 강력한 태양 폭풍은 1859년의 캐링턴 사건에서 관측되었습니다. 이 슈퍼 태양 폭풍은 지구의 자기권을 심각하게 교란시켜 전신 시스템을 마비시키고, 북반구 전역에 밝은 오로라를 발생시켰습니다. 오늘날과 같은 첨단 문명에서는 이러한 강력한 태양 폭풍이 발생할 경우, 통신, 위성, 전력 시스템 등 사회 전반에 큰 혼란을 초래할 수 있습니다. 과학자들은 이러한 슈퍼 태양 폭풍이 약 100년에 한 번꼴로 발생할 것으로 예측하고 있으며, 미래에도 다시 일어날 가능성이 있습니다. 젊은 태양은 지금보다 훨씬 더 난폭했으며, 슈퍼 태양 폭풍이 더 자주 발생했을 것으로 보입니다. 이러한 강력한 태양 활동은 초기 지구와 화성의 환경에 큰 영향을 미쳤을 것입니다. 만약 지구가 자기장을 충분히 유지하지 못했다면, 대기 역시 화성처럼 사라졌을지도 모릅니다. 이러한 가설을 바탕으로 태양과 행성의 상호작용, 그리고 우주 환경이 생명체의 존재에 미치는 영향을 연구하는 것은 매우 흥미로운 과제입니다. 앞으로도 태양과 우주에 대한 연구는 인류의 미래와 직결된 중요한 주제가 될 것입니다.

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생명과학
지구환경과학
천문학

[강연] 유종희_보이지 않는 우주를 탐험하다｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 2강

중성미자는 우주를 구성하는 가장 기본적이면서도 신비로운 입자입니다. 지금 이 순간에도 우리 몸을 초당 수백억 개씩 통과하고 있지만, 전하가 없고 질량이 매우 작아 우리는 그 존재를 전혀 느끼지 못합니다. 하지만 이 작은 입자는 우주 탄생의 비밀을 풀 수 있는 열쇠를 쥐고 있습니다. 특히 물질-반물질 비대칭성을 설명함으로써, 왜 우주에 물질만 남게 되었는지에 대한 근본적인 답을 제시할 수 있는 유일한 단서로 주목받고 있습니다. 1987년 발생한 초신성 폭발은 인류가 중성미자의 실체를 확인한 역사적인 사건이었습니다. 당시 칠레의 천문대에서 찬란한 빛을 관측했을 때, 일본의 지하 1km 깊은 광산에서는 12개의 중성미자가 포착되었습니다. 이는 별이 죽음을 맞이할 때 방출하는 에너지의 99%가 빛이 아닌 중성미자의 형태로 쏟아져 나온다는 사실을 증명했습니다. 보이지 않는 입자를 통해 우주의 거대한 이벤트를 관측할 수 있다는 가능성을 확인하며 중성미자 천문학의 시대가 열린 것입니다. 중성미자는 물질과 거의 상호작용을 하지 않는 특성 때문에 '유령 입자'라고도 불립니다. 이들은 지구를 그대로 투과할 정도로 투과력이 강해, 이를 관측하기 위해서는 특별한 환경이 필요합니다. 우주에서 쏟아지는 다른 입자들의 방해를 피하고자 연구자들은 깊은 지하로 내려갑니다. 약 1km 깊이의 지하에서는 대부분의 노이즈가 차단되고 오직 중성미자만이 도달할 수 있기 때문입니다. 이러한 극한의 환경은 보이지 않는 우주를 탐험하기 위한 과학자들의 필연적인 선택입니다. 중성미자를 포착하기 위해서는 거대한 검출 장치가 필수적입니다. 일본의 슈퍼 카미오칸데는 5만 톤의 물을 채운 거대한 탱크를 이용해 중성미자가 전자와 충돌할 때 발생하는 미세한 빛을 감지합니다. 이때 입자가 물속에서 빛의 속도보다 빠르게 이동하며 발생하는 '체렌코프 복사' 현상을 광센서로 읽어내는 방식입니다. 남극의 빙하를 이용한 아이스큐브 실험 역시 거대한 얼음 덩어리를 검출기로 활용하여 우주 깊은 곳에서 날아오는 고에너지 중성미자를 추적하고 있습니다. 중성미자로 본 우주는 우리가 눈으로 보는 모습과는 전혀 다릅니다. 빛은 밀도가 높은 천체를 통과하지 못하지만, 중성미자는 태양의 중심부나 은하의 핵을 그대로 뚫고 나옵니다. 이를 통해 우리는 천체의 내부에서 어떤 일이 벌어지는지 직접 들여다볼 수 있는 '뉴트리노그래프'를 얻게 됩니다. 이는 보이지 않는 우주의 이면을 시각화하는 혁신적인 방법으로, 별의 탄생과 죽음, 그리고 은하의 구조를 이해하는 데 있어 기존의 광학 망원경이 주지 못했던 새로운 통찰을 제공합니다. 한국 역시 중성미자 연구의 중심지로 도약하고 있습니다. 강원도 정선의 예미랩(Yemilab) 지하 실험실과 전남 영광의 한빛 원자력 발전소를 활용한 연구는 세계적인 수준의 성과를 거두었습니다. 특히 원자로에서 발생하는 중성미자를 관측하여 중성미자의 종류가 변하는 '중성미자 진동' 현상을 정밀하게 측정해냈습니다. 이러한 연구는 중성미자가 가진 고유한 특성을 밝혀내는 데 기여했을 뿐만 아니라, 기초 과학 분야에서 한국의 위상을 높이며 우주의 근본 원리를 규명하는 중요한 발판이 되었습니다. 중성미자 연구의 궁극적인 목표는 우주 초기 물질-반물질 비대칭성의 원인을 밝히는 것입니다. 빅뱅 직후 동일하게 존재했던 물질과 반물질 중 왜 물질만이 살아남아 지금의 우리를 구성하게 되었는지에 대한 해답이 중성미자의 미세한 성질 속에 숨겨져 있기 때문입니다. 향후 일본과 한국을 잇는 거대 관측망이 구축된다면, 인류는 우주 탄생의 마지막 비밀을 풀 수 있을 것입니다. 보이지 않는 것을 쫓는 이 여정은 결국 우리가 어디에서 왔는지를 이해하는 과정입니다.

유종희

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물리학
천문학

[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

[강연] 초전도체가 만든 세상, 펼치는 미래_by김기훈 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 4강

2023년 여름, 대한민국은 물론 전 세계 과학계를 뜨겁게 달군 주제는 단연 상온 초전도체 'LK-99'였습니다. 비록 검증 결과 상온 초전도체로 인정받지는 못했지만, 이 사건은 초전도 현상이 우리 사회에 얼마나 큰 파급력을 미칠 수 있는지 다시금 확인시켜 주었습니다. 초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 마법 같은 물질로, 에너지 혁명을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 학계에서는 여전히 상온 초전도체를 향한 도전을 멈추지 않고 있으며, 이는 인류의 미래를 바꿀 중요한 전환점이 될 것입니다. 초전도 현상의 역사는 1911년 네덜란드의 카메를링 오네스로부터 시작되었습니다. 그는 액체 헬륨을 제조하는 데 성공한 후, 수은의 저항을 측정하던 중 영하 269도에 해당하는 4.2 켈빈에서 저항이 갑자기 0이 되는 놀라운 현상을 발견했습니다. 이 발견으로 그는 노벨 물리학상을 수상하며 초전도 연구의 문을 열었습니다. 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 수십 년간 연구를 거듭해 왔으며, 이는 저온 초전도체에서 고온 초전도체로 이어지는 거대한 학문적 흐름을 형성하게 되었습니다. 초전도 현상을 이론적으로 규명한 것은 1957년 발표된 BCS 이론입니다. 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 학자는 양자역학을 바탕으로 전자들이 격자 진동을 통해 쌍을 이루는 '쿠퍼 쌍' 현상을 설명해 냈습니다. 원래 전자들은 서로 밀어내지만, 특정 조건에서 격자와 상호작용하며 쌍을 이루면 저항 없이 이동할 수 있게 됩니다. 20세기 가장 아름다운 이론 중 하나로 꼽히는 이 이론은 초전도 현상의 근본 원리를 밝혀냈으며, 이후 조셉슨 효과나 제2종 초전도체 연구 등 수많은 노벨상 수상의 토대가 되었습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 전기 저항이 0이라는 점입니다. 우리가 흔히 사용하는 구리선은 아무리 효율이 좋아도 열 손실이 발생하지만, 초전도 선재를 이용하면 에너지 손실 없이 무한히 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 실제로 우리나라는 세계 최초로 고온 초전도 케이블을 상용화하여 송전 효율을 극대화하는 기술력을 보유하고 있습니다. 만약 모든 송전망을 초전도체로 교체한다면 원자력 발전소 수십 기가 생산하는 에너지를 절약할 수 있으며, 이는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있는 강력한 에너지 혁명이 될 것입니다. 저항 제로와 함께 초전도체의 또 다른 핵심 성질은 외부 자기장을 밀어내는 '마이스너 효과'입니다. 특히 제2종 초전도체에서는 자기력선이 물질을 관통하면서도 고정되는 '양자 잠금' 현상이 나타나는데, 이는 자석 위에 초전도체가 안정적으로 떠 있게 만듭니다. 이러한 원리는 시속 600km 이상의 속도를 내는 자기부상열차의 핵심 기술로 활용됩니다. 또한 병원에서 사용하는 MRI의 선명도를 획기적으로 높이거나, 미래의 도심 항공 모빌리티인 에어 택시를 구현하는 데에도 초전도 자석의 강력한 자기장이 필수적인 역할을 합니다. 최근 초전도 연구는 수소 화합물을 이용해 상온에 더 가까운 온도를 구현하는 방향으로 나아가고 있습니다. 엄청난 고압 환경이 필요하다는 제약이 있지만, 란타넘 수소화물 등에서 영하권의 높은 임계 온도가 관측되면서 상온 초전도체 발견에 대한 기대감이 높아지고 있습니다. 비록 일부 연구 결과가 재현성 문제로 철회되기도 했지만, 과학자들은 계산 과학과 정밀한 합성 기술을 동원해 한 걸음씩 상온을 향해 나아가고 있습니다. 이러한 도전은 단순히 물질의 발견을 넘어 인류의 기술적 한계를 극복하려는 숭고한 노력의 과정입니다. 초전도 기술은 이미 가속기, 핵융합로, 의료 기기 등 다양한 분야에서 우리 삶을 지탱하고 있습니다. 앞으로 상온 초전도체가 실제로 발견된다면 양자 컴퓨터의 대중화와 에너지 혁명을 통해 인류 문명은 새로운 차원으로 도약할 것입니다. 이를 위해서는 뛰어난 인재들의 열정과 지속적인 교육, 그리고 학문적 교류가 무엇보다 중요합니다. 100년이라는 짧은 과학사 속에서 이제 막 시작된 양자 문명의 시대에, 초전도체는 우리가 꿈꾸는 미래를 현실로 만들어 줄 가장 강력한 열쇠가 될 것이라 확신합니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[인터뷰] 김기훈_꿈의 물질, 초전도체 연구와 펼쳐질 미래｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

초전도체는 1911년 수은에서 처음 발견된 이후 지난 120년 동안 현대 물리학의 핵심 연구 분야로 자리 잡았습니다. 이는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 양자역학적 현상으로, 극저온이나 고압 등 극한의 환경에서 물질이 보여주는 신비로운 변화를 탐구하는 학문입니다. 수많은 과학자가 새로운 초전도 물질과 임계 온도를 찾아내며 노벨상을 거머쥐었을 만큼, 이 분야는 인류의 기술적 한계를 극복하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 꿈의 미래 기술로 손꼽히고 있습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 에너지 손실 없이 무한에 가까운 전류를 흘릴 수 있다는 점입니다. 이를 코일 형태로 제작하면 기존의 구리 선으로는 불가능했던 초고자기장을 형성할 수 있습니다. 이러한 특성은 이미 의료 현장에서 MRI의 선명도를 획기적으로 높이는 데 기여하고 있으며, 전력 손실 없는 송전선 개발에도 활용되고 있습니다. 부피는 작으면서도 훨씬 강력한 힘을 발휘할 수 있다는 점이 초전도체가 가진 독보적인 경쟁력이며, 이는 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 미래 사회에서 초전도 기술은 모빌리티 혁신을 이끌 핵심 동력이 될 전망입니다. 강력한 자기장을 이용한 초전도 모터는 도심 항공 모빌리티(UAM)의 실현을 앞당길 것이며, 진공 튜브 속을 초고속으로 달리는 하이퍼루프의 필수 기술로도 주목받고 있습니다. 또한 차세대 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전에서 고온의 플라스마를 가두기 위한 강력한 자기장 제어에도 초전도 선재가 결정적인 역할을 수행하게 될 것입니다. 이러한 기술들은 인류의 이동 수단과 에너지 소비 방식을 근본적으로 바꿀 것입니다. 현재 초전도 기술의 가장 큰 과제는 액체 헬륨이나 액체 질소 같은 극저온 냉매 없이도 작동하는 상온 초전도체를 발견하는 것입니다. 많은 연구자가 상온에서 초전도 현상을 구현하기 위해 신물질 합성에 매진하고 있으며, 이는 인류의 에너지 패러다임을 바꿀 거대한 도전입니다. 초전도체 외에도 투명 반도체와 같은 신소재 연구는 태양 전지나 투명 전극 등 다양한 산업 분야에 응용되며 우리 삶을 더욱 편리하게 변화시키고 있습니다. 새로운 물질의 발견은 곧 새로운 물리적 세계관의 확장으로 이어집니다. 과학자를 꿈꾸는 이들에게 가장 필요한 덕목은 단순한 지식을 넘어선 호기심과 열정, 그리고 이를 뒷받침할 체력입니다. 지식을 습득하는 '지(智)', 타인과의 소통과 토론을 통해 배우는 '덕(德)', 그리고 연구를 지속할 수 있는 에너지를 제공하는 '체(體)'가 조화를 이루어야 합니다. 끊임없는 질문을 던지고 실패를 두려워하지 않는 태도로 자신만의 연구 분야를 개척해 나간다면, 언젠가 세상을 바꾸는 위대한 발견의 주인공이 될 수 있을 것입니다. 과학은 결국 인류의 지혜를 모아 더 나은 미래를 설계하는 숭고한 여정입니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

방법은 달라도 목표는 ☝️하나! 꿈의 에너지를 생산하는 ⚗️핵융합(Nuclear Fusion) 발전(with 한국핵융합에너지연구원 권재민 박사) | 요즘과학

에너지 자립은 현대 사회가 직면한 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 우리나라는 에너지 수입 의존도가 매우 높아 자발적인 에너지 자립 마을을 운영하는 등 다양한 노력을 기울이고 있습니다. 하지만 갈수록 심화되는 에너지 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 안전하고 깨끗한 대용량 에너지원이 필수적입니다. 그 대안으로 주목받는 핵융합 발전은 중수소와 삼중수소를 원료로 사용하여 무한한 에너지를 발생시킬 수 있는 기술입니다. 이는 태양의 에너지 생성 원리를 지구상에서 구현하는 것으로, 인류의 에너지 미래를 바꿀 혁신적인 발전 방식이라 할 수 있습니다. 핵융합은 가벼운 원자핵들이 하나로 합쳐질 때 발생하는 미세한 질량 차이를 에너지로 변환하는 원리를 이용합니다. 이는 아인슈타인의 질량-에너지 등가 공식인 E=mc²에 기반하며, 무거운 원소가 쪼개지는 핵분열과는 반대되는 과정입니다. 특히 달에 풍부한 것으로 알려진 헬륨-3는 핵융합의 이상적인 원료로 꼽힙니다. 수소를 이용한 방식은 중성자를 통해 열을 발생시켜 터빈을 돌려야 하지만, 헬륨-3 반응은 결과물인 양성자가 직접 전류를 형성하여 전기를 생산할 수 있기 때문입니다. 비록 기술적 난이도는 높지만, 효율성 측면에서 매우 매력적인 미래 자원입니다. 최근 미국 국립점화시설(NIF)에서는 레이저를 이용한 관성 핵융합에 두 번째로 성공하며 전 세계의 이목을 끌었습니다. 이 방식은 초고출력 레이저를 금속 캡슐에 쏘아 강력한 X선을 발생시키고, 그 압력으로 내부의 수소 연료를 압축하여 핵융합을 유도합니다. 마치 손으로 만두를 빚듯 연료를 균일하게 찌그러뜨려 폭발적인 에너지를 얻는 것이 핵심입니다. 비록 제조 공정의 정밀도와 레이저 출력 효율 등 해결해야 할 과제가 남아있지만, 투입된 에너지보다 더 큰 에너지를 얻어냈다는 점에서 핵융합 상용화에 한 걸음 더 다가선 중요한 성과로 평가받고 있습니다. 대한민국의 핵융합 연구 장치인 KSTAR는 자기장을 이용해 초고온 플라즈마를 가두는 방식을 채택하고 있습니다. 핵융합을 위해서는 원자핵 간의 반발력을 이겨낼 수 있는 1억 도 이상의 초고온 상태가 필요한데, KSTAR는 이를 위해 세계 최고 수준의 초전도 자석 기술을 활용합니다. 구리 자석을 사용하는 다른 국가들의 장치와 달리, 초전도 자석은 전기 저항이 없어 강력한 자기장을 안정적으로 유지할 수 있다는 강점이 있습니다. 현재 KSTAR는 1억 도의 플라즈마를 300초 동안 유지하는 것을 목표로 연구에 매진하고 있으며, 이는 24시간 연속 운전을 위한 핵심적인 기술적 척도가 될 것입니다. 핵융합 발전의 성공을 위해 전 세계는 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트를 통해 힘을 모으고 있습니다. 우리나라를 포함한 7개국이 참여하는 이 거대 과학 프로젝트는 프랑스 남부에 인류 역사상 가장 복잡하고 거대한 실험 장치를 건설하는 작업입니다. 물리, 기계, 재료 등 모든 공학적 지식이 총동원되는 이 과정은 현재 80%에 육박하는 공정률을 보이며 순항 중입니다. 비록 수많은 시행착오가 뒤따르겠지만, 과학자들의 끊임없는 도전과 긍정적인 사고는 불가능해 보였던 1억 도의 통제를 현실로 만들고 있습니다. 에너지 자립이라는 인류의 꿈은 이제 머지않은 미래의 현실로 다가오고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
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[술술과학] 드디어 E=mc² 상대성이론 시리즈의 완결판｜특수상대론#7

특수 상대성 이론의 놀라운 결과 중 하나는 움직이는 물체의 질량이 증가한다는 사실입니다. 정지한 관찰자가 빠른 속도로 이동하는 물체를 보면, 그 길이는 수축하고 시간 지연이 발생할 뿐만 아니라 질량까지 늘어납니다. 이는 뉴턴 역학의 운동량 보존 법칙을 상대론적 관점에서도 유지하기 위해 필요한 개념입니다. 물체의 속도가 광속에 가까워질수록 질량은 급격히 증가하여 마침내 무한대에 이르게 됩니다. 이러한 이유로 질량을 가진 입자는 아무리 큰 에너지를 가해도 광속에 도달할 수 없으며, 이는 현대 입자 가속기 실험을 통해 매일 증명되고 있습니다. 아인슈타인은 운동량의 정의를 새롭게 정립하며 에너지와 질량의 관계를 밝혀냈습니다. 그 유명한 공식인 E=mc²은 질량이 곧 에너지라는 '질량-에너지 등가 원리'를 의미합니다. 과거에는 질량과 에너지가 서로 독립적으로 보존된다고 믿었으나, 아인슈타인은 이를 하나로 통합했습니다. 물체는 정지해 있을 때도 그 존재 자체만으로 막대한 에너지를 품고 있는데, 이를 정지 질량 에너지라고 부릅니다. 우리가 마주하는 모든 물질은 사실 거대한 에너지 덩어리이며, 광속의 제곱이라는 거대한 상수가 곱해진 만큼 그 잠재력은 상상을 초월합니다. 질량이 에너지로 변환되는 현상은 핵반응을 통해 극명하게 드러납니다. 우라늄과 같은 무거운 원자핵이 쪼개지는 핵분열이나, 수소가 합쳐져 헬륨이 되는 핵융합 과정에서는 반응 전후의 질량 차이가 발생합니다. 이 줄어든 질량, 즉 '질량 결손'이 엄청난 빛과 열에너지로 방출되는 것입니다. 단 몇 그램의 질량 변화만으로도 도시 하나를 파괴할 정도의 위력을 내는 원자폭탄이나 태양이 내뿜는 막대한 에너지는 모두 이 원리에 기반합니다. 상대성 이론은 추상적인 물리 법칙을 넘어 우주의 에너지 근원을 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 일반 상대성 이론으로 넘어가면 시공간은 더 이상 고정된 무대가 아닌, 물질의 존재에 따라 역동적으로 변화하는 실체가 됩니다. 아인슈타인은 중력을 단순히 끌어당기는 힘이 아니라 시공간의 휘어짐으로 설명했습니다. 무거운 천체는 주변 시공간을 왜곡시키며, 물체는 그 왜곡된 경로 중 고유 시간이 가장 길어지는 궤적을 따라 자연스럽게 움직입니다. 사과가 땅으로 떨어지거나 행성이 궤도를 도는 현상은 모두 휘어진 시공간에서 가장 효율적인 경로를 선택한 결과입니다. 중력은 이제 신비로운 원격 작용이 아닌 시공간의 기하학적 구조로 이해됩니다. 아인슈타인의 방정식은 물질과 시공간의 상호작용을 아름답게 요약합니다. 물질은 시공간에게 어떻게 휘어져야 하는지 알려주고, 시공간은 물질에게 어떻게 움직여야 하는지 지시합니다. 이 이론은 수성의 근일점 이동, 빛의 굴절, 블랙홀과 중력파의 존재를 예견하며 현대 우주론의 근간이 되었습니다. 뉴턴이 설정한 시간, 공간, 입자라는 분리된 요소들은 아인슈타인에 의해 시공간과 장이라는 통합된 개념으로 재탄생했습니다. 비록 양자역학과의 통합이라는 과제가 남았지만, 상대성 이론은 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 뒤바꾼 혁명이었습니다.

카오스재단술술과학

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