기체 방정식 등장 이후 계속된 가장 낮은 온도 갱신 경쟁
현대에는 레이저를 통한 냉각법 개발
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 2012년 과학자들이 세상에서 가장 뜨거운 온도인 섭씨 4조 도를 발명해 기네스북에 오른 것이 화제가 된 적이 있다. 밤하늘에 보이는 별들 중 온도가 높은 별은 표면 온도가 3만K~6만K 정도를 가진다.
온도가 높아지는 데에는 한계가 존재하지 않는 것처럼 보인다. 그렇다면 낮아지는 경우는 어떨까? 어떤 물체의 온도를 한없이 낮게 만들 수 있을까? 정답은 불가능하다.
일상적으로 온도란 뜨겁고 차가움의 정도로 이해된다. 하지만 물리학적으로는 물체가 가진 에너지를 다른 물체에게 얼마나 전달하는가에 대한 척도를 의미하며 쉽고 직관적으로 이해하면 분자가 충돌해 운동 에너지를 전달하는 정도를 의미한다고 볼 수 있다.
그렇다면 온도를 분자의 운동 에너지와 연관을 가지는 물리량으로 생각한다면 온도를 한없이 높이는 것은 운동 에너지, 즉 속도를 빠르게하는 것으로 이해할 수 있다. 반대로 온도를 낮추는 것은 속도를 낮추는 것으로 이해하고 속도가 0이 되는 순간이 존재한다고 하면 그 순간이 온도가 가장 낮은 순간일 것이다.
양자역학에서 모든 입자들은 '하이젠베르크의 불확정성 원리'를 따르는데 속도가 0이 된다면 운동량이 0으로 고정되고 이는 운동량의 불확정성이 사라지는 것과 동일한 의미이다. 따라서 절대로 입자의 속도는 0이 될 수 없다.
하지만 과학자들은 입자의 만약 속도가 0이 되는 순간이 존재한다고 가정하고 그때의 온도를 기준으로 새로운 온도의 단위를 정했는데 그 온도가 바로 절대온도이며 속도가 0이 되는 온도를 절대영도, 0K으로 정의했다.
0K을 섭씨온도로 나타내면 -273도가 된다. 절대온도는 섭씨온도와 동일한 수치만큼 온도가 변한다. 즉, 1K은 섭씨 -272도, 2K은 섭씨 -271도를 나타낸다.
물리학적으로 절대 모든 입자는 0K이 될 수 없다. 하지만 0.1K, 0.01K, 0.001K과 같이 계속해서 0K에 가까워질 수는 있다. 또한 이러한 온도에서 물질들은 종종 특이한 성질을 가지게 되고 이러한 성질을 연구하는 분야를 저온 물리학이라 한다.
저온 물리학은 1908년 물리학자 카메를링 오너스(Kamerlingh Onnes, 1853~1926)가 헬륨을 액화 시키는데 성공하여 온도를 4.2K으로 떨어트리는데 성공하면서 시작하였다. 오너스는 이 업적으로 1913년 노벨 물리학상을 수상하였으며 일반적으로 저온 물리학은 4.2K 이하의 온도에서 일어나는 현상을 연구하는 물리학을 의미하게 되었다.
오너스는 액체 헬륨에 수은을 담가 금속의 전기 저항을 측정하는 실험을 진행하였다. 놀랍게도 금속들은 극저온에서 전기 저항이 사라지며 반자성을 띈다는 사실을 발견하였으며 이 현상을 초전도 현상이라 명명하였다.
극저온에서 특이한 성질을 띄는 다른 사례로는 액체 헬륨이 있다. 액체 헬륨은 온도를 2.2K 정도까지 낮추면 점성이 완전히 사라지는 현상이 나타난다. 이를 초유체 현상이라 부르며 점성이 0인 액체는 열린 용기에 보관할 경우 벽면을 타고 바깥으로 흘러나가는 크리프 현상을 보여준다.
가장 낮은 온도를 만드는 도전은 1787년 기체의 부피와 온도 사이의 관계를 나타낸 '샤를의 법칙'이 발견된 뒤로 오랜 세월 시도되었다. '샤를의 법칙'은 외부와의 열 교환을 차단시킨 이상 기체의 부피가 팽창하면 기체의 온도가 낮아진다는 법칙이다.
그러나 외부와의 열 교환 없이 단순히 부피를 팽창시키는 것은 상당히 어려운 일이었다. 그래서 물리학자 제임스 줄(James Joule, 1818~1889)과 톰슨 켈빈(Thomson Kelvin, 1824~1907)은 용기를 반으로 나누어 한 쪽은 기체를 채우고 반대편은 진공으로 만든 다음 용기를 나눈 벽을 제거하여 기체를 팽창시켰다.
이 과정을 줄-톰슨 팽창이라 부르며 이들의 방법을 사용하면 통해 대략 80K 정도까지 온도를 낮출 수 있다.
이후 독일의 카를 폰 린데(Carl von Linde, 1842~1934)가 기체를 낮은 온도에서 높은 압력을 가해 액화시킨 뒤 이를 팽창시켜 기체로 만들었다. 액화된 냉매를 팽창시켜 기체로 만들면 줄-톰슨 효과에 의해 온도가 낮아지게 되고 자연스럽게 저온으로의 경쟁은 기체를 액체 상태로 만드는 경쟁으로 바뀌게 되었다.
폴란드의 화학자 지그문트 로블레프스키(Zygmunt Wroblewski, 1845~1888)가 산소를, 영국의 물리학자 제임스 듀어(James Dewar, 1842~1923)가 수소를 액화시키면서 저온에 대한 기록은 계속 갱신되었고 결국 오네스가 헬륨을 액화시키면서 저온 물리학의 지평을 열었다.
이후 오네스는 액체 헬륨을 증발시켜서 1K의 영역까지 온도를 낮추는데 성공하였다. 하지만 액체 헬륨을 증발시켜 온도를 낮추는 것은 0.3K 정도가 한계였고 더 낮은 온도를 얻기 위해 액체 헬륨-3과 액체 헬륨-4를 섞은 희석 냉동기 같은 방법도 고안되었다.
희석 냉동기는 mK 정도까지 온도를 낮출 수 있었다. 액화된 물질을 사용하여 온도를 낮추는 것은 희석 냉동기에서 한계를 맞이하였고 결국 역학적인 방법으로 입자의 운동 에너지를 낮추어 온도를 낮추는 방법들이 고안되기 시작하였다.
스티븐 추, 클로드 코앙-타누지, 윌리엄 필립스
입자의 자성을 이용한 '자기 냉각' 같은 여러 방법이 제시되었으나 최근에 가장 낮은 온도를 갱신한 방법은 레이저를 이용한 '레이저 냉각법'이다. 이 방법은 스티븐 추(Steven Chu, 1948~), 클로드 코앙-타누지(Claude Cohen-Tannoudji, 1933~), 윌리엄 필립스(William Phillips, 1948~)에 의해 고안되었으며 이들은 1997년 노벨 물리학상을 수상한다.
'레이저 냉각법'은 기체 분자 하나에 레이저를 양 방향 쏘아 레이저의 압력으로 입자의 속도를 낮추는 방법이다. 이를 x, y, z 세 방향에서 적용시켜 6쌍의 레이저를 이용해 원자의 온도를 nK 영역까지 낮추는데 성공하였다.
현대의 과학자들은 레이저를 쏘아준 분자에 자기장을 걸어 원자들을 포획하는 기술을 만들어냈다. 이렇게 포획된 원자는 무궁무진한 방법으로 사용할 수 있을 전망이다.
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[MHN 과학] 절대영도 0K는 존재할까? 1913, 1997 노벨 물리학상 : 저온 물리학
기체 방정식 등장 이후 계속된 가장 낮은 온도 갱신 경쟁
현대에는 레이저를 통한 냉각법 개발