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2013년 1월 6일 일요일

절대 영도 vs 음의 온도 ?




 최근 Science 에는 매우 흥미로운 제목의 논문이 올라왔습니다. 그것은 바로 음의 절대 온도 (Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom) 라는 제목으로 연구자들이 음의 온도를 만들어 냈다는 이야기 입니다. 이것은 절대 온도 0 도 이하라는 의미가 아니라 글자 그대로 음의 온도라는 의미입니다.  


 일반적으로 절대 온도 (Absolute Temperature) 0 도는 섭씨 - 273.15 도 혹은 화씨 -459.67 도로 환산되며 열역학 법칙에 의해서 이보다 더 낮은 온도는 가능할 수 없습니다. 물론 절대온도 0 도 역시 달성할 수 없는 영역으로 간주됩니다. 아무리 에너지를 빼앗아서 낮은 온도를 만들어도 그 원자들에게는 아주 약간의 에너지는 존재할 수 있으며 열역학의 관점에서 이는 절대 온도 0 도 보다 더 높은 에너지를 가진 상태, 즉 더 뜨거운 상태입니다. 대부분 이 내용을 과학 교과 시간에 들으셨을 것입니다. 그런데 어떻게 음의 절대 온도가 가능할 수 있을까요. 



(절대 온도 0 도는 섭씨 단위로는 -273.15 도 입니다. 따라서 섭씨 0 도는 절대 온도 273.15 도 (273.15 K) 라고 할 수 있습니다.  ) 


 뮌헨의 루드비히 막시밀리언 대학 ( Ludwig-Maximilians University Munich ) 과 막스 플랑크 연구소의 양자 광학팀 ( Max Planck Institute of Quantum Optics  ) 의 연구자들은 협력해서 일종의 음의 켈빈 온도 (negative Kelvin Values) 를 가진 원자 가스를 만들어 냈습니다. 하지만 이것이 우리가 아는 절대 영도 의 개념을 변화시키는 것은 아닙니다. 왜 절대 영도 보다 낮은 온도는 불가능한지에 대한 위의 설명은 여전히 유효합니다. 여기서 말하는 음의 온도라는 것은 사실 일반적으로 생각하는 온도와는 다른 의미입니다. 


 연구팀은 절대 영도 근처의 극도로 낮은 에너지 상태에서 입자들의 독특한 상태를 만들었습니다. 일단 연구자들은 100000 개의 원자를 수 나노 켈빈 (nanokelvin : 1 나노 켈빈은 절대 영도에서 10 억분의 1 켈빈 높은 온도) 으로 냉갹했습니다. 나노 켈빈이라는 온도는 상상하기도 어려운 극저온으로 1 K 즉 영하 - 272.15 도 라고 해도 이보다 10 억배나 따뜻하다고 할 수 있습니다. 하지만 그래도 절대 온도보다는 더 높죠.


 그 후 연구자들은 이 원자들을 진공 챔버에 두고 레이저 및 자기장을 이용해서 그 움직임을 파악했습니다. 즉 극저온에서만 일어나는 특이한 반응을 알아보기 위한 목적이었습니다. 그런데 여기서 한가지 흥미로운 움직임이 발견되었습니다. 즉 입자들이 볼츠만 분포 (Boltzmann distribution) 와는 반대 방향으로 움직였던 것입니다. 


 일반적인 상황에서 입자들은 볼츠만 분포에 따라 낮은 (혹은 안정한) 에너지 상태를 선호하며 일부만이 높은 에너지 상태에 분포하게 됩니다. 그러나 이 입자들은 반대의 분포를 하고 있다는 것이 확인되었습니다. 즉 대부분이 높은 에너지 상태에 있으려고 하고 일부만이 낮은 에너지 상태를 선호하는 (...high-energy states are more occupied than low-energy states... (논문 중) ) 특이한 현상이 발견된 것이죠.  


 비록 이 입자들이 실제로는 절대 온도 보다 높은 에너지 상태에 있지만 그럼에도 일반적인 입자의 움직임과 분포라는 관점에서는 반대의 모습을 하고 있기 때문에 음의 온도라고 부를 수 있다고 연구자들은 설명하고 있습니다. 예를 들어 온도가 올라갈 수록 압력은 증가하게 되는데 이 경우에는 오히려 음의 압력을 가지고 있다는 것이죠. (Negative temperatures imply negative pressures...  (논문 중) ) 이는 음의 온도라고 불러도 될 만큼 아주 특이한 현상입니다.  




(일반적인 볼츠만 분포 (왼쪽) 상태의 입자와 그 반대인 음의 온도 상태에서 입자의 분포 (오른쪽) Temperature as a game of marbles: The Boltzmann distribution states how many particles have which energy, and can be illustrated with the aid of spheres distributed in a hilly landscape. At positive temperatures (left image), most spheres lie in the valley at minimum potential energy and barely move; they therefore also possess minimum kinetic energy. States with low total energy are therefore more likely than those with high total energy – the usual Boltzmann distribution. At infinite temperature (centre image) the spheres are spread evenly over low and high energies in an identical landscape. Here, all energy states are equally probable. At negative temperatures (right image), however, most spheres move on top of the hill, at the upper limit of the potential energy. Their kinetic energy is also maximum. Energy states with high total energy thus occur more frequently than those with low total energy – the Boltzmann distribution is inverted. (Credit: LMU and MPG Munich) ) 



 극저온의 세계에서는 초전도 현상처럼 일반적인 상태에서는 일어나지 않는 특이한 현상들이 발견되곤 합니다. 이 음의 온도라는 현상 역시 마찬가지겠죠. 하지만 이 내용은 우리가 알고 있는 절대 온도의 법칙이 사라졌다는 것을 의미 하지 않는다는 것은 앞서 말한 대로입니다. 


 연구의 교신 저자인 물리학자 울리히 슈나이더 (Ulrich Schneider) 는 인터뷰에서 '아직 이 가스들은 0 켈빈 보다 더 차갑지 않고 반대로 그보다 따뜻하다. (Yet the gas is not colder than zero kelvin, but hotter .... )  라고 지적했습니다. 따라서 우리가 일반적으로 알고 있는 절대 영도의 벽이 깨진 것은 아니기 때문에 이를 오해 하지 않으시기 바랍니다. 


 비록 앞으로 이 결과를 지지할 수 있는 추가 연구가 있어야 하겠지만 실제로 절대 영도에 가까운 극저온에서 음의 온도와 음의 압력이 발생한다면 우주론 적으로 흥미로운 가설이 발생합니다. 즉 우주가 가속 팽창을 하고 있는데 미래에 우주의 팽창이 극단적으로 커지는 빅 립 (Big rip) 단계에서 음의 압력이 이를 저지할 힘이 될 수도 있다는 것이죠. 우주론적 이야기는 매우 복잡하고 어렵지만 아무튼 앞으로 흥미로운 내용이 추가될 가능성도 있습니다. 이 내용은 Science Jan. 4 issue 에 실렸습니다. 


 참고 

  Journal Reference:

  1. S. Braun, J. P. Ronzheimer, M. Schreiber, S. S. Hodgman, T. Rom, I. Bloch, U. Schneider. Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom.Science, 2013; 339 (6115): 52 DOI:10.1126/science.1227831




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