라디오에는 미래가 없고, 공기보다 무거운 물체는 절대로 하늘을 날 수 없다. 또한 X-선은 속임수에 불과하다.

- 물리학자 켈빈 경

폭파 전문가로서 자신 있게 말하건대, 원자폭탄은 절대로 폭발하지 않을 것이다.

- 윌리엄 리히 사령관

페이저Phaser와 데스스타Death Star

음, SF에 관심이 적은 사람들은

조금 생소한 단어들일 수도 있어.

페이저? 데스스타?

페이저는 레이저 광선이고, (가상의 무기야. 레이저가 더 정확할 것 같아)

데스스타는 별마저 파괴시켜버릴 수 있는 강력한 함선이야.

또, 페이저하면 레이저도 빼놓을 수 없고,

레이저 하면 빼놓을 수 없는 SF의 상징, 광선검도 있어.

스타워즈를 관람한 사람들 중 상당수가

조지 루카스 George Lucas가 볼거리에만 집중에 과학적 논리를 등한시했다. 라는 평가를 듣게 한 원인이기도 해.

하지만 페이저, 광선에 에너지를 집중시켜서 별마저 파괴시켜버리는 무기가 불가능할까?

그런 에너지를 광선에 집중하는 게 불가능하다고 생각할 수도 있는데

자연엔 그런 광선이 실제로 존재해. 심지어 우주에서는 그런 광선들이 수도없이 날아다니고 있어.

그럼 먼저 '광선'이나 에너지는 '빔' 형태로 쏘는 무기에 대한 역사를 알아보자.

일단 로마, 그리스 신화에서는 토르가 번개를 사용하고

힌두의 신 인드라는 작살에서 에너지 빔을 발사하지.

신화 말고, 광선빔 무기를 최초로 현실화시킨 사람은

다름아닌 아르키메데스야.

아르키메데스는 당시 로마에 대항하는 시라쿠사 왕국을 위해서

무기를 제작하게 돼.

거울들을 여러 개를 모아서 

반사되는 빛을 로마의 함선에 집중시켜서 불태워버린 거야.

물론 원시적인 형태이지만,

빛에 에너지를 모아서 '공격'하는 데 사용했기 때문에 에너지빔의 최초로 볼 수 있어.

1889년 발표 된 소설 <우주전쟁>에서는

화성에서 온 외계인이 레이저를 이용해서 도시를 초토화시키고

2차 세계대전 당시 나치는 '대형 포물경'을 이용한 무기를 연구한 적 있었어.

하지만 에너지를 한 점에 강력한 파괴력을 발휘하는 무기, 

대표적으로 '레이저'를 가장 먼저 대중화시킨 것은

바로 제임스 본드 시리즈 <골드 핑거Gold Finger>일거야.

사실 이런 영화나 소설들이 레이저를 사용했지만

당시 과학자들은 레이저의 존재를 믿지 않았어.

광학에 따르면 빛은 항상 퍼져야 했고,

결맞음 상태에 있지도 않기 때문이야.

하지만 이 생각은 레이저가 출현하면서 틀렸다고 증명돼.

양자혁명

레이저가 가능하게 된 변화는

양자혁명에서 시작 돼.

뉴턴이 만유인력의 법칙을 발견한 이후

250년간 이어져 오던 '고전 물리학'은

빛의 성질에 대한 문제나 초전도성, 흑체복사 등의 문제 때문에 엄청난 어려움에 봉착해.

이 어려움을 해결하기 위해 많은 과학자들이 달라들었고,

결국 1900년 막스 플랑크Max Planck가 양자가설을 주장하면서 문제가 해결되기 시작해.

그 유명한 아인슈타인이 1905년 광전효과를 설명하고, 1913년 보어의 원자 모형이 제창되고

1925년 에르빈 슈뢰딩거Erwin Schrodinger와 베르너 하이젠베르크Werner Heisenberg가 양자 역학을 확립하게 돼.

메이저Maser와 레이저Laser

1953년 버클리대학의 연구진은 '결맞음 상태'에 있는 복사파를 최초로 만들어냈어.

이걸 '메이저Maser, Microwave Amplification through Stimulated Emission of Radiation'라고 불러.

그리고 이 연구결과는 1964년 가시광선으로 넓혀지면서

'레이저Laser, Light Amplification through Stimulated Emission of Radiaion'가 만들어지게 되지.

사실, 페이저Phaser는 가상의 무기야.

레이저가 작동되는 원리를 설명해볼게.

(문과 형들은 조심해 ㅋㅋ. )

먼저, 레이저가 작동하기 위해서는 특별한 기체나 결정, 다이오드 등 레이저를 통과시키는 매질이 있어야 해.

이 매질에 에너지를 주입하게 되면

매질 속의 전자들은 들뜬 상태가 되고, 바깥족 궤도로 점프하게 돼.

그러면 전자들은 불안정한 상태가 되고

여기에 빛을 쏴주면

전자들은 다량의 광자를 방출하면서 안정적인 상태가 돼.

여기서 방출된 광자는 다시 옆에 있는 전자를 때리고,

순식간에 연쇄반응이 일어나면서

수십억X수십억 개의 광자들이 순식간에 방출되어 광선빔이 형성되는 거야.

여기서 생성된 광자들은 모두 같은 조건에서 형성되므로, '결맞음'상태에 존재해.

(문과 형들 돌아와도 돼!)

오늘날 레이저는 계산대, CD, 컴퓨터 등 다양한 분야에 사용되고 있고,

요즘은 성형외과에서도 거의 필수로 사용하고 있어.

2004년 기준 레이저 시장의 규모는 54억원이야.

레이저의 종류

(책에 있는 내용을 그대로 쓸게)

기체레이저 : 가장 흔한 종류로서 헬륨-네온레이저가 여기 속한다. 전형적인 붉은색 빔을 만들어내며, 에너지원으로는 라디오파나 전기가 사용된다. 헬륨-네온레이저는 출력이 비교적 약한 편이지만 이산화탄소를 이용한 기체레이저는 중공업 현장에서 발파와 절단, 용점 등에 사용되며, 눈에 보이지 않는 강력한 빔을 만들어낼 수 있다.

화학레이저 : 출력이 매우 큰 레이저로서, 에너지는 에틸렌과 삼불화질소의 화학반응을 통해 공급된다. 이 레이저는 군사용으로 쓸 수 있을 정도로 강력한 파워를 자랑하는데, 현재 미국 공수부대와 지상군에서 운영하고 있는 수백만 와트짜리 화학레이저는 비행 중인 단거리 미사일을 요격할 수 있다.

엑시머레이저 : 불활성기체(아르곤, 크립톤, 제논 등)와 불소, 또는 염소화합물의 화학반응을 이용하여 에너지를 공급하는 레이저로서 눈에 보이지 않는 자외선빔을 생성하며, 초소형 반도체 기판 위에 트랜지스터를 비롯한 여러 가지 회로소자를 새기거나 안과에서 라식수술을 할 때 사용된다.

고체레이저 : 최초의 레이저는 크롬-사파이어 루비 결정으로 만들어진 고체레이저였다. 현재는 이트륨과 홀뮴, 툴륨을 비롯한 다양한 화합물이 사용되고 있다. 고체레이저는 고에너지 광선빔을 매우 짧은 펄스의 형태로 생성한다.

반도체레이저 : 반도체관련 산업현장에서 흔히 사용되는 다이오드를 이용하여 레이저를 생성하며, 금속을 절단하거나 용점할 때 사용된다. 잡화점의 계산대에서 상품의 바코드를 읽을 때 사용하는 장치도 반도체레이저를 응용한 것이다.

다이레이저 : 유기염료를 매질로 사용한 레이저로서, 1조 분의 1초 동안 지속되는 초강력 광선펄스를 만들어낼 수 있다.

레이저와 광선총?

레이저는 이미 실현된 지 오래된 기술이고

레이저를 활용한 장난감까지 개발됬을 정도로 상용화되 있어.

그렇다면, SF영화에서처럼 레이저를 '무기'로 활용할 수 있을까?

모두들 답은 알 거야.

현재는 불가능해.

먼저, 광선총에 사용되는 에너지를 공급하기 위해서는

거대한 발전소가 필요해. 

단순히 아이들 장난감용 레이저는 그냥 만들지만,

무기로 사용하거나 살상용 광선총을 만드려면

그에 맞는 에너지가 필요하고, 곧 거대한 발전소가 광선총을 뒷받침해주고 있어야 해.

그렇다면, 가능성은 두 가지야.

발전소를 손 안에 들고 다닐 수 있을 정도로 작게 만들거나

발전소에서 유선으로 광선총을 연결하면 되겠지.

그러나 두 가지 다, 현실적으로는 불가능해.

에너지가 공급된다고 해서 광선총 문제가 해결된 건 아니야.

레이저의 작동원리에 따라서

'살상무기용' 레이저를 만들려면

그만큼 매질의 상태는 불안정해.

즉, 좀만 잘못하면 매질은 대폭발을 일으킬 거고

오히려 아군을 죽이는 불상사를 일으키게 돼.

차라리 그 매질을 폭탄으로 사용하는 게 이로울 수도 있어.

광선검은 어떨까?

일단, SF에 나오는 광선검은 만드는 게 불가능해. 

먼저, 빛은 무한히 뻗어나가는 성질 때문에 영화처럼 빛을 쏘는 경우 하늘을 뚫고 날아버릴 거야.

또, 빛은 단단하게 만들 수 없기 때문에, 영화처럼 칼을 부딪치는 장면은 상상할 수도 없어.

비슷하게는 만들 수 있지 않을까?

가능해!

'역장'편에서 얘기했던 플라즈마를 활용하면, 광선검을 비슷하게 따라할 수는 있어.

하지만, 플라즈마 광선검도 광선총과 같은 문제가 있어.

그 막대한 에너지를 공급하는 게 굉장히 어렵지.

결국, 광선총과 광선검 모두 현재의 기술로는 어림없는 말이야.

데스스타의 에너지

데스스타는 행성이나 별도 파괴시켜버릴 수 있는 강력한 함선이라고 했지.

<스타워즈>에 나오는 데스스타는 무기로 '레이저'를 사용하는데

행성이나 별을 파괴할 수 있는 레이저는 정말

'상상도 할 수 없는' 불가능한 존재야. 

현재 기술력의 레이저를 이용해서 가장 높은 온도를 내는 것은

별의 내부와 비슷한 온도를 구현하는 정도야.

그나마 행성을 파괴할 수 있는 레이저의 가능성을 찾자면,

핵융합반응을 꼽을 수 있을 것 같아.

레이저를 이용해서 엄청난 양의 에너지를 한 곳에 집중하면

그 지점에서 핵융합반응이 일어나 수소폭탄이 폭발하는 효과를 일으킬 수 있어.

하지만, 그러한 에너지를 한 점에 모으려면

별의 내부 온도 정도를 '자유자재'로 다룰 수 있는 기술이 필요하겠지.

그럼 역으로, 핵융합반응을 레이저의 에너지원으로 사용할 수도 있지 않을까?

이제부터 '핵융합반응'에 대해서 알아보자!

(문과 형들은 여기서부터 이해하기 정말 어려울거야.

형들을 위해 요약해주자면,

레이저를 활용한 휴대가능한 무기들은 가까운 미래에 실현될 수 있어.

하지만, 데스스타와같은 괴랄한 함선들은 수천, 수백만년 후에나 가능할만한 것들이야.

관성밀폐 핵융합

관성밀폐 핵융합을 설명하자면

'지구에서 가장 강력한 레이저를 발사하여 실험실 안에 초소형 태양을 만드는 것'이야.

네오디뮴을 이용한 고체레이저에서 나온 빛을

긴 터널을 통해 평행하게 진행한 후

100분의 1g 정도의 구에 집중되어 있는 수소덩어리를 맞춰.

그러면 구의 표면이 열에 의해 붕괴되고, 충격파가 중심부까지 전해지면서

온도는 순식간에 수백만 도까지 치솟으면서

핵융합 반응이 진행돼.

이론상으로 보면, 충분히 가능할 것 같은 기술이야.

하지만, 그 엄청난 에너지를 조그만 구형에 집중시킨다는 것은 쉽지 않은 기술이야.

이 방법은 1978년 로렌스 리버모어 국립연구소에서 처음 시도됬어.

당시 시바레이저Shiva Laser는 동시에 12개의 레이저빔을 생성했지만, 실패했어.

이후 시바레이저는 출력이 10배로 향상돼

노바레이저Nova Laser로 대체되었지만, 노바레이저도 실험에 실패해.

이 일련의 실험들은 후에

국가점화설비NIF, National Ignition Faculty의 모태가 되고

NIF는 2009년에 가동될 예정(이 책은 2004년에 쓰였어)이야.

700조 와트의 출력으로, 192개의 레이저빔을 발사하는 장치야.

그러나, NIF를 현실화한다고 해도, 이는 데스스타에 한참 미치지 못해.

데스스타의 에너지를 구현하려면, 다른 곳에서 에너지원을 찾아야 해.

자기구속 핵융합

데스스타 수준의 에너지를 구현하는 두 번째 후보야.

말은 어렵지만, 자기구속 핵융합은 

뜨거운 수소 플라즈마 기체가

자기장 속에 갇혀 있는 '자기구속' 상태에서 핵융합을 일으키는 거야.

이 방법을 이용한 핵융합 반응기는 이미 개발이 추진되고 있어.

본 적 있으려나?

2006년에 미국, 중국, 일본, 한국, 러시아, 인도 등이 연합해서 개발하기 시작한

국제핵융합 실험로 ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor 야.

이 프로젝트는 500초 동안 500메가와트의 파워를 발휘할 것으로 예측되고,

역사상 세 번째로 돈이 많이 들어간 프로젝트야.

(1위는 맨해튼 프로젝트, 2위는 국제우주정거장 건설 프로젝트야.)

ITER의 원리는 크게 어렵지는 않아.

도넛 모양으로 생긴 관에 수소기체가 순환하고 있고,

그 표면에 코일이 감고 있는 형태야.

코일의 온도를 낮춰 초전도성을 띠게 한 다음,

막대한 전기를 공급하면 도넛 내부엔 엄청난 자기장이 생기면서

수소 플라즈마는 그 안에 갇혀 온도가 별의 중심부와 비슷한 정도까지 상승하지.

수소는 바닷속에 무한정으로 함유되어 있는 자원이고,

초전도성만 유지시킨다면 전기도 거의 무제한으로 공급할 수 있어.

이 핵융합발전이 성공한다면, 무한대에 가까운 에너지를 굉장히 싼 값에 공급할 수 있게 되지.

그러면, 이런 혁신적인 기술이 왜 개발되지 않았을까?

바로 수소원료를 균일하게 압축하기가 어렵기 때문이야.

자기장을 띤 수소 플라즈마는 방향성을 가지기 때문에,

구 안에 있는 기체도 균일하게 압축시키는 건 굉장히 어려워.

태양에서는 '중력'이라고 하는 힘이 작용하기 때문에 균일 압축이 가능하지만, 지구에서는 그렇지 않지.

수소기체를 1초 이상 압축시키는 것은 굉장히 어려운 과제로 여겨지고 있어.

"사람들은 태양을 상자 속에 집어넣으려 애쓰고 있다. 물론 아이디어 자체는 훌륭하다.

그러나 문제는 상자 제작법을 아무도 모른다는 것이다."

프랑스의 노벨 물리학상 수상자인 피에르 질 드 젠 PierreGilles de Gennes 이 한 말이야.

연구가 순조롭게 진행된다면 40년 이내에 일반 가정에 핵융합 에너지를 공급할 수 있을 것이라고 해.

핵점화 X-선 레이저

다른 방법은 바로 '수소폭탄'을 응용하는 거야.

이론적으로, X-선 레이저의 배터리를 핵무기와 결합시키면 행성 하나를 날릴 수 있어.

먼저 수소폭탄이 폭발하면

X-선 영역에서 막대한 양의 에너지가 방출돼.

즉, 핵폭탄은 X-선 레이저의 배터리로 사용할 수 있다는 이야기야.

핵점솨 X-선 레이저는 

에드워드 텔러 Edward Teller가 고안한 무기야.

그는 '구리선으로 에워싸인 소형 핵폭탄'을 고안했어.

핵폭탄이 폭발하면 X-선 영역의 구형 충격파가 발생하고, 구리선을 통과하면서

레이저 효과를 일으키는 것이야.

그러나 이것은 핵폭탄이 폭발하면서 작동하기 때문에 1회용이야.

1983년 '카브라 테스트'라는 이름으로 처음으로 가동됬어.

당시 실험에 참가한 과학자들은 모두 성공적이엇다고 평가했고,

로널드 레이건 대통령은 "스타워즈 방어막 StarWars Defensive Shield"의 구축을 공식적으로 선언하기도 했어.

아, 스타워즈 방어막이 뭐냐고?

스타워즈 방어막은 ICBM을 X-선 레이저를 이용해서 요격하는 프로젝트야. 

하지만 이 방어는 '다량의 핵탄두'를 동시에 쏘는 방법에 간단하게 뚫리지.

즉, X-선 레이저는 데스스타처럼 다가오는 소행성을 파괴하거나 행성 전체를 폭파시킬 수 있을 지 알 수 없어.

내가 보기엔 불가능하다고 봐.

감마선 폭발

내가 초반에

자연에는 이미 '페이저'가 존재한다고 말했어.

무슨 뜻일까?

말 그대로야. 

가공할 만한 위력의 레이저들은 이미 우주의 곳곳을 파괴시키며 날아다니고 있어.

인류의 문명이 수십만 년이 지나야지만 '은하제국'에서 사용할 법한 무기들이

이미 자연은 만들어서 사용하고 있는 거지.

어떻게 만들어지는 걸까?

먼저 1970년으로 거슬러 올라갈게.

당시 미국이 쏘아올린 군사위성 벨라 Vela 는 우주에서 날아온 강력한 감마선을 감지하게 돼.

냉전 중이던 당시 미국은 초비상사태에 돌입했지.

소련이 우주 공간에서 핵실험을 했을 가능성을 배제할 수 없었으니 말이야.

후에 데이터를 정밀 분석하여

그 감마선이 우주에서 균일하게 날아왔음이 밝혀졌고,

즉 감마선의 진원지가 은하수 바깥임을 알게 됬어.

그런데 강력한 감마선이 은하게 밖에서 날아온 것이라면,

그 파워는 정말 어마어마해서 우주 전체를 밝히고도 남아야 했어.

일단 자료는 미국 기밀로 남게 되지.

후에 1990년 소련이 붕괴되고,

많은 기밀자료들이 기밀에서 해제되면서

천문학자들은 경악을 금치 못해.

미국이 기밀로 보관하고 있던 자료가 어마어마하고 신기한 현상들이 많았기 때문에, 천문학 교과서를 아예 새로 써야 할 지경이었다고 해.

과학자들은 감마선 폭발을 설명하기 위해

극초신성 hypernovae을 도입해.

관측된 감마선이 너무 강력하기 때문에,

괴물 같은 블랙홀이 그 속에서 형성되고 있을 것이라고 추정한 거야.

블랙홀은 실제로 남쪽, 북쪽을 향해서 '제트' 복사를 방출해.

이 제트 복사가 지구를 향하게 되면, 감마선 폭발이 감지되는 거야.

만약 블랙홀이 은하수 근처에 있었다면

제트 복사가 지구를 향하는 순간 지구의 생명체는 전멸했을 거야.

그렇게 강력한 감마선과 X-선이 지구를 강타한다면

대기의 오존층이 파괴되고 지구의 표면온도가 상승하면서 대형화재가 발생해 지구를 쓸어버릴 거야.

즉, 감마선 폭발은 <스타워즈>처럼 행성을 초토화시킬 뿐 아니라,

생명체의 씨를 말려버릴 가능성도 높아.

지금부터 수십만, 수백만 년이 지난 문명이라면

감마선 폭발의 방향을 자유자재로 바꿔서

원하는 행성을 초토화시킬 수도 있어.

결론적으로 말하면

휴대 가능한 레이저 무기는 가까운 미래나 다음 세기에 실현될 수 있는 '제1부류 불가능'

데스스타와 같은 강력한 위력의 무기는 수백만 년 후에나 가능할 '제2부류 불가능'으로

이 책의 저자 미치오 카쿠는 예측하고 있어.