과학

SF 설정의 대표주자, 반물질에 대해 알아보자.(스압)

반물질, 보통 공상과학(SF) 작품이나 만화 등에서 단골로 등장하는 소재입니다.

미래에는 반물질이 에너지원으로 쓰이거나 핵폭탄의 대체제 정도로 사용되기도 하고, 꿈의 물질 정도로 여겨지기도 합니다.
 
 
실제로 반물질은 무지막지한 에너지를 뿜어냅니다. 반물질 이라는 것은 그에 대칭되는 물질과 반대되는 에너지를 가진 물질인데, 반물질이 이 대칭되는 물질과 만나게되면 서로 상쇄되어 0이됩니다. 즉 질량 자체가 사라져버리는 것입니다.
여기서 아인슈타인의 E=mc^2 방정식에 의해, 1g만 사라지더라도 광속의 제곱에 가까운 엄청난 에너지가 방출됩니다. 10원짜리 동전 한개만 에너지로 전환해도 수소폭탄 이상의 에너지를 낼 수 있다고도 하지요. 반물질은 이러한 엄청난 에너지를 만들어낼 수 있는 물질인 셈입니다.
 
결론을 먼저 말하자면, 반물질은 존재합니다. 심지어 반물질이 발견된 것은 무려 80년전이었습니다. 하지만 여전히 일반인들에게 반물질은 생소하면서도 먼 미래의 물질로 여겨지지요. 그렇다면 우리 과학자들은 왜 반물질을 활용하지 못하는 걸까?
 
 
일단 반물질에 대해 알기 위해, 그 근원이 되는 이론에 대해 알아볼 필요가 있습니다. 바로 디락의 방정식입니다.
디락은 양자역학과 상대성 이론을 결합하여 디락 방정식을 만들어냈는데, 이 디락방정식의 문제는 에너지(E=mc^2)가 양의 값 뿐만 아니라 음의 값도 가능해진다는 심각한 문제가 있었습니다. 음의 에너지라니! 음의 에너지는 얻을수록 힘이 빠져나가기라도 하는 것인가? 
하지만 디락은 자신의 이론을 포기하지않고 오히려 계속 연구하여 우주의 심오한 비밀을 알아내게 됩니다. 
 
여기서 디락은 디락의 바다 이론을 만들어내었습니다. 간단히 말하자면 이 우주가 음의 에너지와 양의 에너지 라는 2층구조로 되어있으며, 음의 에너지 층을 다 채워버린 전자가 더이상 음의 에너지가 될 수 없어서 양의 에너지를 갖고 있는 것이 바로 우리가 볼 수 있는 물질들 이라는 이론입니다. 이 이론에 의하면, 반물질은 음의 에너지로 꽉 채워진 1층에서 전자 1개가 에너지를 받아 양의 입자가 되어 2층으로 올라오게 될 경우, 1층에 그 전자가 있던 빈자리를 반물질이라고 설명합니다. 즉 물속의 공기방울과 같은 셈입니다.
이러한 이론에 대해 학계의 반응은 그다지 좋지 않았습니다. 어찌되었든 이론만 있을뿐 증거는 하나도 없었기 때문입니다.
 
하지만 놀랍게도, 1932년에 결정적인 증거가 발견되었습니다. 앤더슨이라는 학자가 우주에서 날아오는 입자들을 관측하던 중 질량이 전자와 같으면서도 양전하를 띤 입자를 발견했 던 것입니다. 즉 생긴건 분명 전자인데, 자기장을 걸어주면 원래 전자처럼 (+) 극으로 이동하는게 아니라 (-) 극으로 이동하는 게 발견된 것입니다.
 
양전자의 발견 이후 반물질은 더이상 공상속의 존재가 아니게 되었습니다. 게다가 양전자 뿐만 아니라, 모든 기본입자에 대해 반입자가 존재합니다. 양성자와 중성자를 구성하는 기본 입자인 쿼크(quark)도 반입자인 반쿼크가 존재하고, 중성미자, 뮤온, 타우온 등의 기본 입자들도 반입자가 존재합니다. 중성일 경우엔 반대 극이 없기 때문에 자기 자신이 반입자가 되기도 하는데, 대표적인 것이 빛 입자입니다.
 
이 디락의 바다 이론은 반물질을 발견해내게 하는 시발점의 역할을 할 수 있었지만, 이론상의 한계로인해 부정되고 반물질을 설명하기 위해다른 이론이 등장하게 됩니다. 바로 양자장 이론입니다.
 
 
양자장 이론은 상대성 이론과 양자역학을 연결하기 위해 만들어진 이론입니다. 양자역학과 상대성 이론은 분명 그 분야내에서 설명할 때에는 맞는 얘기인데, 서로의 영역을 침범하게 되면(양자역학은 매우 작은 미시적세계, 상대성이론은 눈으로 볼 수 있는 거시적세계를 설명합니다.) 서로 들어맞지 않게 되는 상황이 발생합니다. 또한 양자역학만으로는 갑자기 전자가 들뜬 상태에서 에너지를 방출하며 바닥상태로 떨어지는 원리를 정확히 설명할 수 없기도 했습니다. 그래서 그 두 이론의 징검다리 역할을 해줄 수 있는 이론을 만들어내게 되는데, 그것이 바로 양자장 이론이었습니다.
 
양자장 이론에서는 진공을 무수히 많은 입자와 반입자가 쌍을 이루어서 나타났다가 사라지는 공간 이라고 정의하고 있습니다. 이른바 쌍생성이라고 하는데, 양자장 이론에 의하면 진공상태는 에너지가 0인 상태가 아니라 바닥상태의 에너지가 요동치가 있는 공간이 됩니다. 이 에너지에 의해 확률적으로 쌍생성이 일어나며 다시 쌍소멸에 의해 사라지는 것을 반복하는 것입니다. 진공상태가 에너지를 포함하고 있다는 이 이론은 우주공간에서 열이 발생하고 있는 현상을 설명해주기도 합니다.
 
 
그렇다면 양자장 이론은 반물질을 어떻게 설명하고 있을까? 사실 양자장 이론으로 설명하는 반물질은 매우 복잡한 수학적 수식들이 필요하지만, 간단히 설명해보자면 이렇습니다.
 
특수 상대성 이론에 의해 입자를 설명하려 하게 되면 하전 입자는 공간에서 앞뒤로 움직이는 것 뿐만 아니라, 시간적으로도 앞뒤로 움직인다고 정의되게 됩니다. 하지만 우리가 아는 상식으로는 입자가 과거로 회귀해버릴 수는 없기때문에, 이 과정에서 반입자가 증명됩니다.
예를들어 물과 기름을 반씩 넣어놓은 유리병이 있다고 해봅시다. 물은 빨간색, 기름은 파란색으로 색을 입혀 알아보기 쉽게 해놓았습니다. 이 병을 뒤집는다면, 파란 기름은 빨간 물을 거슬러 올라가서 위로 올라가려고 할 것입니다.

그림1.png

여기서 기름의 흐름을 정상적인 입자의 움직임이라고 가정해봅시다.
특수 상대성 이론에 의하면 그와 반대되는 흐름이 필요합니다. 즉 빨간 물의 흐름입니다.

그림2.png

파란 기름의 움직임을 모르더라도, 빨간 물의 움직임만 알면 정확히 파란 기름의 움직임을 추측해 낼 수 있습니다. 빨간 물과 정확히 반대되는 영역에서 반대의 흐름을 보이는 곳이 파란 기름의 영역일 것입니다.

그림3.png

여기서 시간의 흐름 = 위로 올라가는 흐름 이라고 생각해봅시다. 반물질이라도 시간의 흐름에는 거스를 수 없으므로, 물도 기름처럼 위로 흐르게 됩니다. 그리고 물이 위로 흐르게 된다면, 그림상에서 흰 부분인 기름 영역이 반대로 흐르는 것과 똑같은 효과를 낼 것입니다. 기름의 흐름을 되감기하여 반대로 보는것 같은 느낌을 주게 되는것입니다.
즉 반입자들이 시간에 따라 움직이면서 그에 반대되는 정상 입자들은 시간에 역행하는 것처럼 보이게 되고, 이를 통해 반입자를 설명하는 것입니다.
 
여기서 파란 기름이 전자, 빨간 물이 반물질인 양전자인 셈입니다.
 
 
일반인들에게는 아직까지도 먼 미래의 이야기처럼 들리는 반물질이지만, 의외로 실생활에서 제대로 활용되고 있는 분야가 있습니다. 바로 대형 병원등에서 사용되는 기기인 PET(양전자 방출 단층 촬영기) 입니다.
 
 

그림4.jpg

 

이 PET 기기는 방사능 물질에서 방출되는 양전자가 몸속의 전자와 만나면서 쌍소멸을 일으켜 빛이 나오는 걸 측정하는 장비입니다. 첫 글에서 반물질이 물질과 결합하면 엄청난 에너지를 방출한다고 말했지만, 그건 그 물질이 g단위 수준으로 사라졌을 경우인거지 전자는 질량이 엄청나게 작기때문에(9.109x10^-31 kg) 양전자 여러개가 우리몸에 부딪힌다고 해서 그리 큰 에너지를 방출하지는 않습니다. 계산해보자면 전자 1개당 8.2x10^-14 J 입니다. 
놀라운 것은 인체에서도 끊임없이 반물질을 만들어내고 있다는 것입니다. 우리는 음식물이나 물을 통해서 자연에 존재하는 방사능 물질(이른바 자연방사능 이라고 하지요.)을 섭취하게 되는데, 그런 방사능 물질들이 몸속에서 붕괴하면서 매 시간당 180개 정도의 양전자를 만들어낸다고 합니다.
물론 이 기계로 만들어낸 양전자는 매우매우매우 짧은 시간동안만 유지되다가 몸의 전자와 반응하여 사라지게 됩니다. 방사성 원소에서 자체적으로 만들어내는 반물질에 의존하기 때문에 양도 매우 적습니다.
 
 
어찌되었든 반물질을 만들어낼 수 있고, 실제로 제대로 반물질을 반응시킨 다면 엄청난 에너지를 만들어 낼 수 있을텐데 왜 사용하지 않는 것일까?
 
 
첫째로, 억지로 반물질을 만들어내려 한다면 그 반물질이 해주는 일 이상의 에너지가 필요합니다. PET 기기 처럼 미량으로 사용하는 게 아니라면 방사성 물질이 만들어내는 반물질만으로는 택도 없을테고, 대량 생산을 하고 싶다면 현재로선 음의 전자에 에너지를 주어 구멍을 만들어내는 수밖에 없을텐데 그러려면 에너지가 입자로 전환되는 만큼에 에너지를 넣어줘야 한다는 얘기입니다. 열역학 법칙에 의하면 엔트로피는 더욱 증가해야만 하므로, 손실되는 에너지가 생겨 결국 만드는 데 더 큰 에너지가 필요한 셈입니다.
 
현재로서도 억지로 반물질을 얻기 위하여 현재 입자가속기를 통한 반물질 제작을 시도하고 있는 중이긴 합니다. 입자가속기를 통해 막대한 에너지를 주입하여 쌍생성을 일으키고, 그로인해 만들어진 반물질을 얻는 것입니다. 물론 이렇게 만들어진 입자는 곧 주변과 반응하여 사라져버리게 되는데, 2008년에 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소에서 입자가속기를 이용해 천억개가 넘는 반양성자를 만들어내긴 했다고 합니다. 물론 고작 1mL 에 존재하는 기체 분자가 무려 2.7x10^19 개 라는 걸 감안하면(2700경) 아직도 택도없는 양이긴 하지요. 참고로 이렇게 입자가속기로 양전자를 만들어내는 데 무려 그램당 3조원의 돈이 소모되었다고 합니다.
 
질량이 에너지로 전환되는 효과를 얻기 위해 그 이상의 에너지를 부어줘야 한다니 이건 이미 모순이지요. 이런 큰 에너지를 소비해서 반물질 폭탄을 만드느니 그 돈으로 수소폭탄을 만드는게 훨씬 효율적일겁니다.
 
둘째로, 설사 대량의 반물질을 만들어냈다고 해도 그 반물질을 보존하기가 거의 불가능합니다. 현재 주로 사용되고 있는 것은 주로 전자의 반대인 양전자인데, 반물질의 종류는 철이나 탄소 같은 원자의 단위조차 아닌 전자, 쿼크 등의 최소 소립자 단위이기 때문에 이 반물질이 반응하는걸 막기가 거의 불가능합니다. 어쨋든 뭔가로 둘러싸야 할텐데 그것이 무엇이든간에 전자가 존재할 테니까요. 그나마 가능성이 있다면 암살교실에서 나왔듯이 자기장으로 둘러싸는 것 정도? 가능한지도 알 수 없지만, 설사 가능하더라도 자기장을 유지하는것만으로도 엄청난 비용과 에너지가 들겠지요. 게다가 기체분자 1개와 만나기만 해도 반응하게 될테니 진짜 무에 가까운 완벽한 진공상태를 유지해줘야할텐데, 그것 역시 쉽지 않은 문제일겁니다.
 
2011년에는 만들어진 반물질을 절대영도에 가깝게 냉각시킴으로서 최대한 반응을 늦춰서 약 1000초(16분)동안 반물질을 유지시키는 데 성공하기도 했다고 하지만, 절대영도에 가깝게 온도를 낮추는 것 역시 쉬운 얘기가 아닐 뿐더러 완벽한 절대영도는 현재 기술로는 불가능합니다.
또한 이 방법은 반물질의 반응속도를 낮추는것 뿐이다보니, 결국 언젠가는 무조건 반응하게 된다는 문제점이 있습니다.
 
 
결론을 내리자면, 반물질은 생각보다 우리 가까이에 있습니다. 사용하려 해봤자 별 효율이 안나오기 때문에 안쓰는 것 뿐입니다. 
실제로 이러한 반물질 외에도, 뭔가 엄청난 기술이 담긴 게 만들어졌지만 효율문제 때문에 버려지거나 묵혀두는게 무수히 많습니다. 현실에서 사용되고 있는 다양한 소재들은 그런 치열한 비용경쟁에서 살아남은 애들이지요. 그 소재들을 제치고 사용되기 위해서는 그 능력이 압도적으로 좋거나 훨씬 높은 효율을 보이거나 해야 할 겁니다. 

30개의 댓글

2020.09.20
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2020.09.20

지식추

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2020.09.20

유익해요

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2020.09.20
0
2020.09.20
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2020.09.20

반물질 보관할 방법은 정녕 없는것인가

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@SexKnight

자기장으로 어느정도 보관은 할 수 있긴함

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2020.09.20
@1급정교사연수받고싶다

그거가지고 장기간 보관이 어렵지않아?

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@SexKnight

ㅇㅇ 물질과 반물질은 서로 끌어당기거든.. 아직 오랫동안 보관하는 방법은 없는걸로 앎

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2020.09.21
@1급정교사연수받고싶다

전기적으로 중성인 원자/반원자를 만들어도 서로 끌어당기냐?

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양자장이론 설명했던데 카시미르 효과도 설명해죠

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2020.09.20

막대한 에너지가 필요하다면,

태양에너지를 이용할 수 있지는 않으려나?

 

태양궤도 어딘가에 소행성 규모로 반물질 제작 보관 공장을 세우면 외행성계 탐사용 에너지 정도는 10년 정도 모아서 쓸 수 있을거 같은데

 

그 정도 기술력에 도달하면 애당초 반물질을 좀 자유자재로 만들 수 있겠지??

0
2020.09.20
@곰형

지구에 도달하는 태양에너지로는 손실이 많아서 면적대비 에너지 효율이 택도없고, 그렇게 써먹으려면 적어도 우주공간에 거대한 거울을 띄워서 그걸로 에너지를 모아 써먹던지 해야 좀 가능해질텐데 우주 공간에서 그런 거대한 태양에너지 포집 설비를 만들 정도의 기술력이면.. 아직 우주공간으로 몇톤 물자 보내는것조차도 너무 비싸서 제대로 못하고 있는 판국이니까.

게다가 만든다해도 보관 기술이 문제임. 그램 단위로 만들었다간 잘못보관하면 걍 설비가 증발할테니 완벽하게 안정적으로 보관하는 기술이 필요하겠지.

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2020.09.20
@아스테라

“ 안녕하십니까. 도니 버밀리언입니다. 오늘 반물질 보관창고가 소멸하는 사건이 있었습니다.” 라는 우주 뉴스를 보게 되겠네

1
@곰형

가 짐 어서. 하는 외계 창조주종족으로 승천한 초능력자 여자도 있겠네

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2020.09.20

반물질=암흑물질=에테르

 

마자?

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2020.09.21
@층노숙자

ㄴㄴ

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2020.09.21

반물질은 양전하만 반대잖어

그럼 반질량은 있을수있을까

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2020.09.21
@선장입수

있대

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2020.09.21
@선장입수

반질량에 대한 가능성을 제시하는게 윗댓에서 말한 카시미르 효과임. 다만 반질량 입자를 만들어내는건 반물질보다도 훨씬 빡세다더라.

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2020.09.21
@아스테라

빡센걸 떠나서 가능한지도 이론이 안잡히지 않았냐 에초에 반질량이면 오늘 만들면 어제 존재해야되는데 ㄷㄷ

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2020.09.21

유익추

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2020.09.21
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2020.09.21

근데 반물질미사일 쏘는 스카웃은 왜 존나 약해요?

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2020.09.21

반물질 하면 그 만화 암스가 생각남

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2020.09.21
@버스터머신

암스 재밌지 ㅋㅋ SF계의 명작..

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2020.09.21
@아스테라

힘을 원하는가? ㄷㄷㄷ

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사실 이번에 나온 테넷 영화의 근간이 이건줄 알았음. 반물질은 다이어그램상에서 시간을 역행하는 물질과 동치인점을 SF적으로 해석한줄 알았는데 그게 아니더라고... 그래서 좀 아쉬웠음

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2020.09.22
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