[일천물] 2. 반물질 - a

이번 주제는 물질과 반물질이다.

들어가기에 앞서 잠시!
본 교관은 독자들의 영어실력을 테스트 해보도록 하겠다!!

 

 

 

A : What is mind?
B : Well.. It doesn't matter.
A : What is matter?
B : Never mind.

 

 

 

 

 

 

.........
（이해못한 사람도 얼른 웃어야 한다）

 

글쓴이가 원어민이 아니라서 정확하지는 않지만,
what is the matter 와 what is matter 의 느낌이 조금 다르다고 한다더라（카더라）.

 

 

아무튼, 물질이란 무엇일까?
（What is matter?）

그림 1 - 물질의 세 가지 상태.（#NASA）
여기에 플라즈마 상태까지 포함하여 네 가지 상태라고 이야기하기도 한다.

 

 

 

 

 

여기서 잠깐, 과학적 호기심이 왕성한 딸아이로 인해 최근들어 곤란을 겪고 있는 엄마와의 대화를 살펴보자.

 

 

 

딸 : 엄마 엄마! 나 궁금한게 있어!
엄마 : 응응. 뭔데??

 

딸 : 물이 얼음으로 변하면 액체에서 고체가 되는 거잖아?
엄마 : 그렇지! 우리 딸 똑똑하네~^^

 

딸 : 그러면 나무가 불에 타는 것은 고체가 무엇으로 변하는거야?
엄마 : 음... 나무가 타면 재가 남으니까 다른 고체로 되는 거겠지?

 

딸 : 엄마 그럼 불은 고체 액체 기체 중에 뭐야??
엄마 : 어......

 

 

 

 

 

나중에 낳을 딸을 위해 예행연습 한다고 생각하고,
독자들이라면 이 상황에서 어떻게 대답해 줄 것인가?

답안예시 : '으이구 밥이나 얼른 먹어 학교 늦겠다'

그림 2 - 파이어!!!!（#langedijkers）

 

결론부터 말하면 불은 '에너지' 이다.

에너지란? 어떠한 '일' 을 할 수 있는 '능력' 을 의미한다.

 

배터리의 에너지로 우리는 시계를 움직일 수 있지만,
에너지를 다 쓴 배터리로는 아무것도 하지 못한다.

즉, 불은 물질이 아닌 셈이다.

 

그렇다면 물질이란?

 

에너지가 아닌 것!

ㅋ...

 

간단한 정의로는,
원자로 이루어진 고체, 액체, 기체의 상태로 존재하는 모든 것이다!

그림 3 - 고체, 액체, 기체 세 가지 상태로 휙휙 변하는 사이클로헥세인（#ScienceAlert） 

온도와 압력 조건을 잘~ 맞추면 이런 기묘한 광경도 볼 수 있다.

 

 

 

 

 

열심히 달리기를 하며 땀을 뻘뻘 흘리는 것은
분명 내 몸 어딘가에 있는 '에너지' 를 사용하는 것이다.

 

반대로 배고파서 음식을 먹어 배를 채우는 것은
'물질' 인 음식을 몸 안에서 '에너지' 로 바꿔주는 것이다.

 

 

 

이렇게 우리 주변의 모든 '것' 들은 물질 혹은 에너지로 이루어져 있는 것이다.

 

활활 타오르는 불과 발밑에 굴러다니는 볼링공은 분명 전혀 달라보인다.

각각 에너지와 물질의 대표적인 예시가 될텐데,

우리의 아인슈타인 센-세 께서 이러한 고전적인 개념을 완전히 바꾸어 놓았다.

그림 4 - 유~ 명한 "그" 공식.（#내가 써서 저작권 없지롱）

 

E equals mc squared.

아마 누구나 한번쯤 들어보았을 공식일 것이다.
（엠씨스X어 라는 이름으로도 엄청나게 알려졌지）

여기서 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속력을 의미한다.
（기억을 상기시켜보면 빛의 속력은 300,000km/s 이다.）

 

 

그렇다 또 그 친구이다. 빛!
이쯤되면 우리 빛 친구는 모든 과학이야기 할 때마다 카메오로 빠지지 않을 기세이다!

 

이 간단한 공식에는 아주 많은 의미가 담겨있다.

 

일반적인 물질은 우리가 흔히 생각하듯이, 질량이 존재하는 원자들이 모여 이루어진 것이다.

원자는 크기가 아주 작은 알갱이로 사과를 지구 크기로 확대 할때,
원자는 원래 사과 크기 정도이다.

 

아인슈타인 센세는 특수상대성 이론을 통하여 그림 4 의 공식을 제시하면서,
"모든 물질은 그 자체로 에너지를 포함하고 있다. 물질과 에너지는 동등하다" 고 하였다.

 

 

쉬운 예로, 제자리에 가만히 정지해있는 볼링공 자체는
아무런 '에너지' 도 가지고 있지 않은 것 처럼 보이지만,

아인슈타인에 의하면 이 또한 에너지를 가지고 있다.

 

바로 그 물체가 '질량을 가지고 태어날 때 부터 가지고 있는 에너지' 이다.
（이를 birth energy 라고 표현하기도 한다）

 

이것은 질량의 일부, 혹은 전체를 에너지로 전환할 수 있다는 의미이다!

 

태어날 때 부터 지니고 있는 에너지라니.

흙수저였던 주인공이 알고보니 몸 속에 엄청난 잠재능력을 포함하고 있다- 급의 소설 소재 같지만,

실제로 이러한 일은 입자가속기나 핵발전소, 하늘의 태양과 별들에서 끊임없이 일어나고 있다!

그림 5 - 스위스, 프랑스에 걸쳐져 있는 세계 최대규모의 입자가속기（#CERN）

'천사와 악마' 에 나오는 그 CERN 맞다.

 

 

 

 

 

 

입자가속기는 아주 작은 입자들（양성자, 전자 등）을 매우 빠른 속도로 가속시키는 곳이다.

 

 

 

"저번에 양성자나 전자 같은 미시세계는 입자냐 파동이냐 이야기 할 수 없다면서요?"

 (*양자역학 게시글이 먼저 올라갔다.)

 

 

정답! 짝짝짝. 훌륭한 기억력에 박수! 

그 말 처럼 전자나 양성자는 매우 작아서 입자성과 파동성 모두를 각각 관측할 수 있다.

 

다만 우리는 편의상 입자의 성질만 가지고 실험을 설계할 수 있다.

그러면 양성자나 전자들은 얌전히 입자의 성질만 드러내준다.

 

그러므로 우리도 이 글에서는 복잡함을 피하기 위해 '입자' 로 취급하여 이야기하면 된다 ^.^

 

 

 

위에서 매우 빠른 속도라고 했는데, 대체 얼마나 빠를까?

 

CERN에는 둥근 훌라후프 처럼 입자를 가속시키는 트랙이 여러개 존재하는데,

여러 트랙들을 거치면서 입자는 점점 빠르게 가속된다.

 

현재(*2013년 기준) 기술로 최대속도로 가속된 '양성자' 는

무려  빛 속도의 99.99999898%를 기록하였다!!

 

 

멍........

 

자연에서 제일 빠른 사나이（?） 빛 보다

고작 0.00000102% 느렸던 것이다.

 

 

얼마나 빠른지 숫자만 봐서는 감이 안오는 사람들을 위해 다른 예시를 들면,

앞의 시간여행 편에서 특수상대론을 이야기하면서

물체가 빠르게 움직일 수록 질량이 더 증가한다고 설명했었다.

 

 

저 속도로 움직이는 양성자는 정지해있는 다른 양성자에 비해 7000배나 무겁다!!

시간으로 치면 이 양성자의 시간은 정지 해 있는 우리들에 비해 7000배나 느리게 흘러가는 셈이다.

 

 

 

이 가속 트랙을 유지하는데에는 어마어마한 최첨단 기술들이 들어간다.

 

자연에서 가장 낮은 온도인 절대온도（-273.15℃）에 근접하는 -271℃로 트랙을 항상 냉각시켜야 한다.

 

전력소비량도 어마어마해서 피크타임 7개월 동안 200MWh（메가와트시）를 사용했는데,

이 양은 같은 시기 인근 도시인 스위스 제네바 전력 총 사용량의 1/3에 해당된다.

 

 

 

그럼 대체 뭐에 쓰려고 이렇게 빠르게 가속시킬까? 

 

 

 

쾅!

충돌시킨다★

그림 6 - 빛 속도의 99.99999898%로 가속된 양성자 두 개가 정면충돌한 흔적.（#CERN）

충돌하면서 약 100개 이상의 다른 입자들을 만들었다. 노란색 선들은 새로 태어난（!） 입자들이 지나간 자취

 

 

 

 

 

그림 6 에는 입자가속기에 대해 처음 듣는 이 라도 느낄 수 있을 법한 오묘한 무엇인가가 있다.

 

이렇게나 빠르게 가속된 양성자 두 개는 정면 충돌하는 순간,

엄청난 에너지만 남긴 채 그 자리에서 '소멸' 된다.

 

그런데 그게 끝이 아니고,

에너지만 남은 그 자리에서 완전히 새로운 입자가 '탄생' 하게 된다.

 

 

이것이 바로 아인슈타인의 '에너지와 질량은 같다' 를 가장 명백하게 보여주는 흔적이다.

 

 

물질이 사라지면, 그 자리에 에너지만 남았다가, 다시 새로운 물질이 태어난다!!

 

 

혹은,

질량과 에너지의 본질은 하나이고,

그 둘의 연결고리는 빛이다!

그림 7 - 힉스 입자를 공식적으로 발표한 운명적인 사진.（#CERN）

힉스 입자에 대해서도 언젠가 이야기 할 기회가 있을 듯 ^.^

(그러네... 자세히 글 한번 적기는 해야 하는데.....과거의 나야 미안해...)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이쯤에서, 본래 주제인 반물질은 대체 언제 나오는지 목이 빠지게 기다리고 있는 독자들이 있을 듯 하다.

 

인류 과학기술의 최첨단인 입자가속기 이야기가 나와서 글쓴이가 너무 흥분한 탓이다.（ㅈㅅ..）

 

 

결론부터 말하면, 반물질은 물질과는 거울처럼 대칭되는 것으로

모든 물질에는 그에 해당하는 '짝꿍' 인 반물질이 존재한다.

 

또한, 물질과 반물질 짝꿍끼리 서로 만나면 둘은 그 자리에서 소멸한다!

 

 

재미있게도 우리 주변, 아니 우리 우주에는 순전히 '물질' 들 뿐이어서

반물질이 존재한다면 곧바로 주변의 물질들과 부딪쳐 서로 소멸해버리고,

그 자리에는 막대한 에너지만이 남는다!

 

그래, 그 '천사와 악마' 의 반물질 폭탄처럼^.^

 

 

 

또한 이때, 생겨나는 에너지는 흔히 빛의 형태로 나온다.

그림 8 - 전자와 양전자가 만나면 서로 소멸하면서 빛（에너지）가 발생한다.

 

 

 

 

반물질의 이름 붙이기는 굉장히 쉬워서, 앞에 반（anti-） 만 붙이면 된다.

양성자（proton） ↔ 반양성자（anti-proton）

중성자（neutron） ↔ 반중성자（anti-neutron）

커플（couple） ↔ 안티커ㅍ.....

 

 

그러나 우리 전자의 짝꿍인 양전자는 굉장히 초창기에 발견되었기에,

저런 양산형 이름이 아닌 특별한 이름을 지어주었다.

 

"음（-. negative）의 부호를 띠고 있는 전자（electron）와는 달리,

양（+. positive）의 부호를 띠고 있는 그대에게는 양전자（positron）이라는 이름을 하사하니라~"

 

개인적으로 알코올（alcohol）, 알코올 중독（alcoholic） 급으로 센스 넘치는 작명이라 생각된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그런데 여기서 잠깐. 

 

이쯤에서 혹시 이런 생각이 든 독자가 있을까?

 

 

 

"물질과 반물질이 만나서 사라지고 에너지.. 그러니까 빛이 생겨나는 거잖아?

그럼 그 반대도 되는 것 아닌가? 빛이 갑자기 사라지고 물질과 반물질이 그 자리에 생겨난다거나..?"

 

 

 

와 소름;;

만약 정말로 이런 생각이 든 독자가 있다면 농담이 아니라

놀라운 통찰력을 지닌 사람이라고 생각된다. 

 

그 뛰어난 통찰력을 잘 간직하였다가 부디 어떤 분야이던간에

인류의 발전을 위해 힘써주었으면 하는 바람이다.

（정말로. 궁서체임. 천재일지도 모름.）

 

 

 

 

 

 

 

그렇다!

 

빛（에너지）이 갑자기 사라지고, 그 자리에 새로운 물질과 반물질 쌍이 탄생하는 것도 가능하다!!

 

그리고 이 모든 과정은 항상 '쌍' 의 형태로 발생한다.

（솔로 따위 없다）

그림 9 - 물질과 반물질이 만나 소멸하면 빛이 생기고, 반대로 빛에서 물질과 반물질이 생겨날 수도 있다.

 

 

 

 

 

 

 

그렇기 때문에 반물질 폭탄이 가능한 것이다.

 

반물질로 이루어진 덩어리를 풀어놓는 순간,

우리 주변의 모든 것들은 공기중의 질소, 산소 기체들을 비롯해 전부 물질로 이루어져 있기 때문에

그 즉시 짝을 이루어 소멸하면서 엄청난 빛을 만들어낸다.

 

 

 

이때 발생하는 에너지는?

 

아인슈타인 센-세의 E=mc2 으로 계산되는 그 에너지이다!

 

간단하게 반물질 1g은 물질 1g과 짝을 이루어 소멸하므로 

소멸한 질량 m은 0.002kg이 되겠다. 

 

여기에 빛 속도（c = 300,000,000m/s） 제곱을 곱해주면

180,000,000,000,000J 의 에너지가 발생한다!

이는 국내에서 전기사용량이 가장 많은 포항제철의 1개월 전기사용량의 20%에 해당한다!

 

 

 

하지만, 놀랍게도 이만한 에너지는 핵폭탄으로 훨씬 저렴하게（?） 재현할 수 있다.

이것은 반물질 생산비용이 무기업자들이 미치고 팔짝 뛸 정도로 비싸기 때문 ^.^

 

불행인지 다행인지 몰라도 덕분에

아무런 오염 잔재물 NO! 질량 대비 폭발력 갑! 인 반물질 폭탄은 상용화 되고 있지 않다.

（그리고 그만큼 대량 생산과 보관할 기술도 아직 없다）

그림 10 - 물질과 반물질은 거울 처럼 대칭적인 특징이 있다.（#Kickstarter）

 

 

 

 

도플갱어를 만나면 죽는다는 전설처럼,

이렇게 물질-반물질은 만나게 되면 서로를 인정하고 싶지 않다는 듯,

에너지를 발하면서 사라지게 된다.

 

또한, 물질과 반물질은 서로의 거울 모습처럼 완전히 대칭적인 특징을 지니고 있다.

 

거울속의 '나' 가 오른쪽 왼쪽 방향만 다르듯이,

 

물질의 짝이 되는 반물질은 물질과 모든 물리량이 전부 똑같고

전하（플러스를 띠고 있느냐, 혹은 마이너스를 띠고 있느냐） 하나만 다르다!

 

- 를 띠고 있는 물질의 짝은 + 를 띠고 있는 반물질이 된다.

 

그럼 중성을 띠고 있는 물질의 짝은?

마찬가지로 중성을 띠는 반물질이 된다.

 

 

 

 

그런데 웃대인들을 제외하고는 다들 짝이 있는 것처럼,

 

물질과 반물질은 모든 과정에서 항상 짝을 이루며 생겨나거나 사라진다고 하는데,

 

왜 현재의 우주는 물질 밖에 찾아볼 수 없는 것일까?

(2020. 5. 23. 수정)

*적은지 7년 된 글의 조금 오래된(?) 표현들을 고쳐보았습니다.