세상에서 가장 차가운 것은 무엇일까요? - 리나 마리에스 호요스(Lina Marieth Hoyos)

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세상에서 가장 차가운 것은 남극에 있지도, 에베레스트 산 꼭대기에 있지도 않습니다. 그것들은 물리 실험실 안에 있고, 그것은 절대 영도보다 몇 분의 일 정도 조금 더 높은 온도인 가스 구름입니다. 리나 마리에스 호요스(Lina Marieth Hoyos)는 그렇게 낮은 온도가 어떻게 과학자들이 물질의 내부작용을 보는 창문이 되는지, 그리고 어떻게 엔지니어들이 우리에게 우주에 대해 알려줄 엄청나게 민감한 기구를 만들 수 있게 하는지를 설명합니다.

강연 : 리나 마리에스 호요스(Lina Marieth Hoyos)
영상 : 아드리아틱 애니메이션(Adriatic Animation)

세계에서 가장 차가운 것은
남극에 있지 않습니다.

그것은 에베레스트 산
꼭대기에 있지도 않고

빙하에 묻혀 있지도 않지요.

이 물질은 물리 실험실에 있습니다.

이 물질은 절대 영도보다 미세하게
더 높은 온도의 가스 구름이지요.

그것은 당신의 냉장고보다
3억 9천5백만 배나 차갑고

액체 질소보다 1억 배 차가우며

우주보다 4백만 배 차갑습니다.

이렇게 낮은 온도는 과학자들이
물질의 내부 작용을 보는 창문이 되고

엔지니어들은 이 온도를 이용해
엄청나게 정밀한 장치들을 만들 수 있고

이 장치들을 이용해서

지구에서 우리가 정확히 어디에
위치해 있는지 혹은

우주의 끝에서는 어떤 일이
일어나는지를 알 수 있습니다.

우리는 어떻게 그렇게
차가운 온도를 만들 수 있을까요?

짧게 말하자면, 움직이는 입자들의
속도를 늦추면 가능합니다.

우리가 온도라고 이야기하는 것은
바로 움직임입니다.

원자들은 고체와

액체

그리고 기체를 구성하며
항상 움직이고 있습니다.

원자들이 재빠르게 움직일 때,
우리는 물질이 뜨겁다고 인식하며

원자들이 느리게 움직일 때,
우리는 그것이 차다고 인식합니다.

뜨거운 물체나 가스를
일상생활에서 차갑게 하기 위해

우리는 그것을 냉장고 같은
더 차가운 환경에 둡니다.

뜨거운 물체의 몇몇 원자의 움직임들은
주위로 전달되고

물체는 시원해집니다.

그러나 여기에는 한계가 있지요.

우주 공간도 초저온을 만들기에는
너무 따뜻하다는 것입니다.

그래서 과학자들은 원자를
직접적으로 늦추는 방법을 찾았습니다.

레이저 빔을 이용하는 것이지요.

대부분의 상황에서

레이저 빔의 에너지는
물건의 온도를 높입니다.

그러나 매우 정밀한 방법을 사용하면

빔의 운동량은 움직이는 원자를
정지시켜서 온도를 떨어뜨릴 수 있지요.

이게 바로 마그네토-옵티컬 트랩이라는
장치에서 일어나는 일입니다.

원자들은 진공실 안으로 주입되고

자기장은 그 물질들을
중심으로 끌어당깁니다.

이 실의 중심을 향한 레이저 빔을

적절한 파장으로 조절하면

빔쪽으로 움직이는 원자가
빔의 광자를 흡수하여 느려지게 됩니다.

이렇게 속도가 늦춰지는 효과는

광자와 원자 사이에서의
운동량 전달에 의해 발생합니다.

수직적으로 정렬한 여섯 개의 빔은

모든 방향으로 움직이는 원자들을
가로막습니다.

빔들이 교차하는 중심에 있는 원자들은

끈적이는 액체에 갇힌 것처럼
느릿느릿하게 움직이는데

그것을 발명한 연구자들은 이를
"광학 당밀"이라고 묘사했습니다.

이처럼 마그네토-옵티컬 트랩은

원자들을 아주 낮은
마이크로 켈빈까지 식힐 수 있습니다.

대략 섭씨 -273도까지 말이지요.

이러한 기술은 1980년대에 개발되었고

그것을 만드는데 기여한 과학자들은

이 기술의 발명으로 1997년에
노벨 물리학상을 탔습니다.

이후 레이저 냉각기술은 더 발전되어
더 낮은 온도까지 도달하게 되었습니다.

원자들의 온도를 왜 이렇게까지
낮추려고 하는 것일까요?

첫째로, 차가운 원자들은
매우 뛰어난 탐지장치가 될 수 있습니다.

아주 적은 에너지를 가졌기 때문에

이 차가운 원자들은 환경의 변동에
무척 민감합니다.

그래서 그것은 지하의 기름과
지하 광물을 찾는데 사용되고

또한 매우 정교한
원자시계를 만드는데 사용되지요.

이런 시계들은 GPS 인공위성에
사용됩니다.

두 번째로, 차가운 원자는
무궁무진한 잠재성을 가지고 있으며

물리학의 한계를 탐구 할 수 있습니다.

이런 원자들이 가진 극도의 민감성은

미래에 우주에 설치하려는
중력파 탐지기에 활용 될 수 있습니다.

저온원자는 원자와 아원자에 대한
연구에서도 유용합니다.

이 연구들은 원자의 에너지의
미세한 파동을 측정해야하기 때문이지요.

이러한 파동들은
표준 온도에서 방출되며

이때에는 원자들이
초당 약 수백미터를 움직입니다.

레이저 냉각은 원자의 속도를
초당 몇 센티미터로 낮춥니다.

이 속도면 양자효과에 의해 유발된
움직임을 관찰하기에 충분하지요.

과학자들은 이미
초저온 원자들을 이용하여

보스-아인슈타인 응축 상태 같은 현상을
연구하고 있습니다.

원자들이 절대 영도에 근접하게 냉각되면

새로운 상태의 희귀한 물질로
변하는 현상이지요.

연구자들이 물리의 법칙을
이해하기 위한 탐구를 계속하고

우주의 미스터리들을 풀어나가는 과정에는

이 우주에서 가장 차가운 물질들의
도움을 항상 필요로 할 것 입니다.