SF 칼럼 [6]：가능성의 세계(6)-반물질(反物質)
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반물질(反物質)주⑴이란 무엇인가? 우주가 형성되었을 때 반물질도 물질과 함께 만들어졌을 것이다. 통상적으로 물질에서는 플라스 전하(電荷)를 가진 핵 주위를 마이너스 전하를 가진 전자가 돌고 있다. 그러나 반물질에서는 플러스 전하를 가진 반전자(양전자)가 마이너스의 전하를 가진 핵 주위를 돌고 있다.반입자들로 구성된 물질. 반양성자, 반중성자, 양전자가 모이면 반원자를 만들 수 있다. 이론적으로는 반항성이나 반행성, 반생물이 존재하지 말라는 법도 없다. 물리학에서 가장 큰 수수께끼 중 하나는 물리학 법칙에 의하면 물질과 반물질이 섞여있어야 함에도 불구하고 왜 우리는 오직 물질로만 이루어진 우주에 사는 것처럼 보이느냐는 점이다. 핵은 모두가 양자(플러스의 전하를 가진)와 중성자(전하를 갖지 않은)로 만들어지고 있다. 따라서 반핵자는 반양자(마이너스의 전하를 가진)와 반중성자를 지니고 있는 것이 된다. 반중성자는 전하를 갖고 있지 않지만, 중성자란 ＜스핀 spin＞과 ＜바리온수(數)주1)＞라는 입자물리학을 기술함에 있어 중요한 두가지 특성이 반대로 되어 있다. 블랙홀 안에서는 성립되지 않는 것 같지만 반응하기 전후의 이 계통의 바리온수의 합계가 바뀌지 않는다는 엄밀한 법칙이 있는 것이다. 중성자(바리온수는 +1)는 양자(바리온수 +1)와 전자(이는 바리온수이 아니라 경립자(經粒子), 즉 레프튼이므로 바리온수는 0)가 될수 있다. 전하의 합계는 제로, 바리온수는 +1로 유지되는 것이다. 이것이 양자를 소멸시킨다고 할 때 그렇듯 쉬운 일은 아니다. 양자나 반양자(바리온수는 -1)는 함께 결합할 수가 있다. 이 두 개의 중립자가 만나면 번쩍하는 불길을 발하여 결합되다가 소멸되며 질량은 고에너지 방사로 바뀌면서 전하와 바리온수는 서로 상쇄된다. 이 과정을 입자 가속기를 사용하여 각 양자를 양자 2개분의 질량분보다 더 큰 에너지로 충돌시킴으로써 실험실 규모에서 역행시킬 수 있다. 여기서 일어나는 반응을 식으로 쓴다면 P+P → P+P+P+P 가 된다. 즉 2개의 양자(P)가 3개의 양자와 1개의 반양자(P)로 되는 셈이다. 여기서 바리온 수의 합계는 실험전에는 1+1=2였던 것이 충돌 후에는 1+1+1-1=2 … 역시 2개 그대로이다. CERN(스위스 제네바에 있는 유럽핵연구기구)과 같은 공동 연구소에서는 더 진전된 실험에 사용하기 위한 반양자가 이 같은 방법으로 흔히 만들어지고 있다(세계에서 가장 최초로 양자와 반양자의 고에너지빔 사이에 충돌이 있었던 것을 1981년초에 CERN에서 관측했다).
반양자와 양전자가 결합되면 그 결과 중성반수소(中性反水素)인 원자가 만들어진다. 이론적으로는 반양자와 반중성자에서 보다 큰 핵을 만들고 그 양쪽에 궤도 양자를 붙임으로써 통상적인 원소와 똑같은 반응을 보여주는 반물질원소의 완전한 방식을 만들 수 있다. 반수소(反水素)인 원자 2개와, 반산소(反酸素) 1개로부터 반수분자(反水分子)가 만들어진다는 식이다. 그러나 만일 우리가 반수(反水) 1리터를 만들어낼 수 있다고 하더라도 도대체 그것을 어떤 용기에 넣어둬야 된다는 것인가? (하지만 이런 걱정은 기우에 불과하다. 현실은 이러하기 때문이다. 아직까지 과학기술적으로 반물질을 대량으로 만들어 내는 것은 불가능하기 때문이다. CERN에서 지난 2002년 국제 실험팀인 아테나(ATHENA)팀이 유럽핵물리연구소(CERN) 입자가속기를 이용해 반수소(反水素) 5만개를 만드는데 성공했다. 5만개라는 숫자가 커보여도 질량으로 따지면 극히 미미하다는 것을 알수 있다. 가까운 미래에 좀더 효율적인 반물질 생성장치가 등장해 하루에 100만개의 반수소 원자를 만들어 낸다고 가정하더라도, 1g의 반수소를 만들어 내는데는 약 1천6백 조(1012)년이 필요합니다. 이런 엄청나게 느린 속도로는 가까운 미래에 SF에 등장하는 반물질을 이용한 우주선이나 댄 브라운 Dan Brown의 소설 ≪천사와 악마 Angels and Demons (2000)≫에서 등장하는 것과 같은 위력적인 반물질폭탄 등을 실용화시킨다는 것은 힘들 것이다. 현실적으로는 말 그대로 공상 속의 이야기라는 것이다.보충 1) 반물질이 물질에 닿으면 서로가 소멸된다. 이 양자를 합친 질량은 에너지의 눈부신 폭발로서 해방된다. 핵분열 폭탄의 에너지가 되는 것은 플루토늄(우라늄과 비슷한 방사성 원소) 질량의 최고 0.1%이다. 핵융합 폭탄에서는 이 숫자가 0.5%가 된다. 반물질에서는 이것이 100% 가까이까지 되는 것이다. 하긴 반물질인 경우에는 그 같은 폭발로서 반물질 1킬로그램의 에너지와 그에 상응하는 물질 1킬로그램을 보탠 에너지가 해방되는 것이 되므로 오히려 200%라고 해야 옳을 것이다. 전자와 양전자, 바리온과 반(反)바리온은 함께 고에너지인 감마선(및 얼마간의 무해한 뉴트리노주))으로 되어 소멸한다. 일반적인 물질에 이 같은 반물질 1킬로그램을 던지면 TNT 4,300만톤에 필적하는 힘으로 폭발한다. 이것은 마치 일본 히로시마에 투하된 폭탄 수천개가 한꺼번에 폭발하는 것과 같은 것이다. 반물질 단 1킬로그램의 폭발력이 이토록 엄청나다보니 ≪스타 트랙 Star Trek≫에서 우주선 엔터프라이즈호는 그 같은 폭발을 제어한 힘으로 추진할 수 있는 것이다. 그러나 TV시리즈에서는 어떤 식으로 반물질을 만들며 저장하는지에 대해서는 단 한번도 설명한 바가 없다.
초기의 SF작가들은 반물질에 대해 종종 두 가지 과오를 범했었다. 첫번째는 반물질을 마이너스의 질량으로 여겼기 때문에 중력에 의해 끌리거나 밀리는 것으로 알았던 것이다. 그 중 한 가지 예가 E.E.스미스의 ≪그레이 렌즈맨 Gray Lensman≫의 마이너스 구체이다. 만일 이것이 그런 것이라면 반양자의 마이너스 질량/(및 마이너스 에너지)는 만나는 양자의 그것을 상쇄함으로써 나중에는 아무것도 남지 않게 된다. 그런데 실제로는 2개의 초고에너지와 감마선 입자가 발생하는 것이다(왜 2개냐 하면, 한쪽 방향으로만 폭발할 수 없으므로 운동량의 균형을 유지하기 위해서이다). 오늘날의 우주론에 따르면, 마이너스 질량과 같은 것은 존재하지 않는다. 두번째는 약간 까다로운 것인데, 예를들면 반수(反水)는 보통 물과 서로 소멸하는 것이므로 철로 만든 용기 속에 넣어 풀 수 있다는 의견이다. 그러나 그렇지는 않다. 파괴적인 반응을 보이는 것은 소립자와 소립자 사이에서 일어나는 일이지, 그것이 어떻게 늘어서 있는가와는 관계가 없기 때문이다. 그러면 어떤 식으로 반물질을 저장하면 되는 것일까? 저장하거나 대규모로 생산하기 위해서는 우주 공간이 가장 좋은 장소로 생각된다. 지상에서는 중력 때문에 조만간에 물질과의 파괴적인 접촉을 빚게될 것이다. 유일한 예외는 CERN인데, 이곳에서는 높은 온도로 운동하는 반양자가 ＜저장고리＞속에서 진공 채임버 벽에 닿지 않도록 차단된 상태에서 자장에 의해 가속되어 계속 회전하고 있다. 그러나 이는 전하를 가진 입자에만 효과가 있다. 예컨데 반중성자 등에 이런 방법은 사용될 수 없다.
우주 창생에 대한 또다른 주장은 물리학자 M. 골드허버가 1956년에 발표한 이론에 따르면, 우주는 창조된 직후에 둘로 나누어졌다고 한다. 다시 말해서 우리가 살고 있는 물질 우주와 우리가 관측할 수 없는 반물질로 이루어진 또 하나의 우주가 있다는 것이다. 천체 물리학의 ＜반물질은 어디로 간 것인가?＞라는 의문에 대해서 놀랍게도 SF에서는 전혀 얘기되지 않고 있다. 그러나 영국 작가 이안 와트슨은, ≪요나 키트 The Jonah Kit(1975)≫라는 작품에서 반물질은 물질과 반물질이라는 구별의 의미를 가질 수 없는 미니 블랙 홀 속으로 사라져 갔다는 독창적인 의견을 제시하고 있다. 
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| 주석 註釋 | ||||||||||||
| 주⑴ 주석 제목 註) 1. 반물질[反物質, antimatter] 반물질이란 보통의 물질을 구성하는 소립자의 반입자로 구성되는 물질로 정의됩니다. 반입자는 1932년 켈리포니아 공대의 P.M.앤더슨이 윌슨의 안개상자 속에 납의 박판을 넣고 우주선의 비적(飛跡)을 촬영하던 중 양전자(陽電子)를 발견하면서 그 존재가 처음 밝혀졌습니다. 그러나 앤더슨의 발견이 있기 전에 이미 반입자의 존재는 이론적으로 예측되어 왔습니다. 입자의 존재가 처음 예견된 것은 영국의 이론물리학자인 P. A. M. 디랙이 1927년에 발표한 방정식에서 입니다. 아래의 디랙방정식에서 입자가 가질 수 있는 에너지가 음의 값이 될 수 있음을 알 수 있습니다. *디랙방정식 E =  E : 입자가 갖는 에너지 m0 : 입자의 정지질량 c : 광속 p : 입자의 운동량(mv, 여기에서의 m은 정지질량이 아닌 특수상대성이론의 효과에 의해서 증가된 질량. v는 입자의 운동속도) * 방정식의 우변이 모두 루트안에 있으므로 양과 음의 해가 모두 가능합니다. 그렇다면 왜 현실세계에 존재하는 입자들은 음의 에너지로 떨어지지 않고 있는지에 대한 설명이 필요할 것입니다. 예를 들어 원자핵 주위를 도는 전자는 여기상태에서 광자를 방출하면서 에너지가 줄어들고 바닥상태로 떨어집니다. 이 상태가 가장 안정되어 있으므로 원자는 더 이상의 에너지를 방출하지 않게 됩니다. 그러나 전자가 음의 에너지를 가질 수 있다면 전자는 외부로 광자를 계속 방출하면서 -∞의 에너지를 향해서 계속 떨어져 갈 것이며, 원자는 붕괴될 것입니다. 그러나 현실세계에선 이러한 현상이 전혀 일어나고 있지 않습니다. 디랙은 이것에 대한 해결책으로 파울리의 배타의 원리를 이용했습니다. 모든 입자들이 가질 수 있는 음의 에너지 준위는 모두 채워져 있고, 따라서 현실세계에 존재하고 있는 입자들은 음의 에너지 준위로 들어갈 자리가 없기 때문에 항상 양의 에너지만을 갖게 된다는 것입니다. 이 음의 에너지 준위를 채우고 있는 입자들 중 하나가 외부로부터 에너지를 얻어 양의 에너지로 올라오게 되면 그 입자가 존재하던 자리는 빈 공간으로 남게 됩니다. 그런데 여기서 주목할 점은 이 빈 공간이 마치 하나의 입자처럼 행동한다는 것입니다. 빈 공간의 질량은 그곳을 채우고 있던 입자가 양의에너지를 가진 상태와 동일하며, 전하와 스핀방향은 반대가 됩니다. 이것이 바로 반입자입니다. 출처 : 네이버 오픈백과 2. 바리온：바리온이란, 양자나 중성자와 같은 중입자(重粒子)의 총칭이다. 3. 양자, 양성자(陽性子)：중성자와 함께 원자핵의 구성 요소가 되는 소립자의 하나. 질량은 전자의 약 1,800배이고 양전하를 가지며 전기량은 전자와 같다. 원자핵 내의 양성자의 수는 그 원자의 원자 번호를 나타낸다. 기호는 P. ≒ 프로톤(proton). 4. 반양자, 반양성자(反陽性子)：소립자의 하나로 양성자의 반대 입자. 스핀과 질량은 양성자와 같지만 음의 전기 소량을 가지며 자기 모멘트의 부호가 반대라는 점에서 양성자와 다르다. 기호는 P(p-bar라고 읽는다). ≒ 반양자, 앤티프로톤(antiproton). | ||||||||||||
| 【참고어】 | ||||||||||||
| ㆍ제목 ㆍ 차후 보강. | ||||||||||||
| 작가 소개 (가나다)순 | ||||||||||||
| + 한글 이름 | 영문 이름 ( ~ ) [상세 정보] 차후 보강. | ||||||||||||
| 참고 - 서적, 웹사이트 | ||||||||||||
| - 세계 백과 대도전 - 인터넷 이곳저곳 + Anti-Matter 1. http://www.studyworld.com/newsite/ReportEssay/Science/Physical%5CAnti-Matter-383068.htm 2. http://www.newuniverse.co.uk/Antimatter.html 3. http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Antimatter | ||||||||||||
| + 더 읽어야 할 책 | ||||||||||||
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차후 보강. |
다음 SF 칼럼 [7] 가능성의 세계(7)：중력과 반중력 ▷
+ 본 SF 칼럼은 56회 분량으로 실을 예정입니다.
+ 짜투리 시간 쪼개서 작성하는 것이라서 주기적으로 올리지는 못할 겁니다. 되는 대로 쓰고 되는 대로 올리겠습니다. ^^
+ 전문적인 SF 칼럼니스트 만큼의 깊이는 없겠지만, 나름대로 기획해서 성심성의껏 올려보겠습니다. 많은 격려바랍니다. ^^
※ 이 칼럼은 저의 블로그에 올리고 있는 칼럼입니다. 퍼다 나르지 않으셨으면 합니다. ^^
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