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2014년 2월 5일 수요일

우주에서 가장 낮은 온도 - 100 억 분의 1 K 만들기



 과학자들이 국제 유인 우주 정거장 (ISS) 에서 절대 영도에 가장 가까운 온도를 만드려는 실험을 준비 중에 있습니다. 0 K 혹은 절대 영도는 -273.15℃ 의 온도로써 사실상 현실적으로는 도달할 수 없는 온도로 여겨지곤 합니다. 이전의 절대 영도 이하의 음의 온도를 거론한 연구가 있기는 했지만 현실적으로 보면 절대 영도 이하의 온도는 아니었으며 (실제로는 수 나노 켈빈까지 냉각했던 것임) 절대 영도에 가까운 온도에서 나타난 특이한 현상이었습니다. (  http://jjy0501.blogspot.kr/2013/01/vs.html 참조)


 아무튼 절대 온도에 근접한 낮은 온도에서는 평소 우리 주변에서는 보기 힘든 아주 특이한 현상들 (대표적으로 초전도 현상 같은) 이 나타나기 때문에 이와 같은 극저온 상태의 물리학 연구는 적어도 이를 연구하는 과학자들에게는 매우 흥미로운 주제 중 하나입니다. 물리학을 못하는 사람에게는 어려운 분야겠지만 말이죠.


 나사는 Cold Atom Lab (CAL) 의 과학자들은 2016 년까지 국제 유인 정거장에 우주에서 제일 낮은 온도로 원자를 얼릴 수 있는 장치를 설치하고 싶어합니다. 이들이 목표로 삼는 온도는 100 피코 켈빈 (pico-Kelvin 으로 1 나노 켈빈 보다도 1/10 낮은 온도입니다. 


 즉 이를 바꿔 말하면 1/100 억 K 인 것입니다. 얼마나 낮은 온도인지 감도 잘 잡히지 않은 수준의 극저온인데 나사 JPL 의 연구자인 롭 톰슨 (Rob Thompson) 을 비롯한 과학자들은 이를 달성하기 위해 매우 특별한 실험 장소를 선택했습니다. 그에 의하면 ISS 처럼 미세 중력만 있는 장소에서 과학자들은 쉽게 이 극저온의 한계를 달성할 수 있다고 합니다. (아래 동영상 참조)




(나사 사이언스 캐스트 )  


 ISS 에 탑재될 아주 복잡하게 생긴 특수 냉각장치는 아래와 같이 생겼다고 하네요. 이 기기는 매우 복잡하지만 기본 원리는 단순해서 결국 기체가 팽창하면서 온도가 내려가는 원리를 이용한 것이라고 합니다.  







(맨위 (사이언스 모듈), 중간 쿼드 로커 안의 CAL, 맨 아래는 ISS 의 설치.  Credit : NASA) 


 과학자들은 이미 나노 켈빈의 극저온에서 원자들이 매우 독특한 행동을 취한다는 것을 알고 있습니다. 나노 켈빈 영역에서 원자들은 더 이상 기체, 고체, 액체의 상태로 있는 것이 아니라 마치 양자 같은 행동을 취합니다. 즉 하나의 원자는 입자와 파동의 성질 두가지를 가지게 되며 한 장소에만 존재하는 것이 아니게 됩니다. 


 이와 같은 현상은 20 세기 초반 아인슈타인과 보스가 추론한 Bose-Einstein Condensates 으로 예언되었습니다. 그리고 1995 년 루비듐 원자를 극저온으로 내린 결과 실제로 이 결과가 확인되었습니다. 2001 년 에릭 코넬 (Eric Cornell), 칼 와이만 (Carl Wieman), 볼프강 케털리 (Wolfgang Ketterle) 이 업적으로 노벨 물리학상을 받았습니다. 


 이제 과학자들은 나노 켈빈 이하에서는 도대체 어떤 현상이 일어날지 궁금해하고 있습니다. 어떤 일이 일어나게 될지 현재 누구도 장담할 수 없습니다. 롭 톰슨은 이를 미지의 영역으로 들어가는 것 (We're entering the unknown) 이라고 언급했습니다. 한가지 확실한 것은 2016 년 예정대로 CAL 이 ISS 에 설치되면 그것을 직접 확인할 수 있게 된다는 점입니다. 과연 어떤 깜짝 놀랄만한 일이 있을지 궁금하네요.  


 참고   





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