별난 물질
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1. 개요
별난 물질은 초전도체, 초유동체와 같이 특이한 현상을 보이는 물질을 통칭하며, 음의 질량, 복소 질량(타키온) 등을 갖는 물질을 포함한다. 2016년에는 위상수학을 이용해 별난 물질을 설명한 연구로 노벨 물리학상이 수여되었고, 2019년에는 한국 기초과학연구원(IBS) 연구진이 별난 물질의 특성을 실험으로 규명했다. 이러한 물질은 웜홀 구성, 워프 드라이브, EmDrive 등 SF 기술의 이론적 기반이 되기도 하며, 고압 하에서 특이한 화합물을 형성하거나, 용어나 특이한 특성을 가진 물질을 나타내는 데 사용되기도 한다.
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| 별난 물질 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 종류 | 이국적인 물질 |
| 특징 | 알려진 일반적인 물질과는 매우 다른 특성을 가짐 특이한 물리적 성질 (예: 음의 질량) 기존 물리학 법칙을 위반하는 행동을 보일 수 있음 |
| 가설적 존재 | 현재까지는 대부분 가설적인 물질임 |
| 연구 분야 | 물리학 천문학 공학 |
| 관련 개념 | 암흑 물질 암흑 에너지 음의 질량 기묘한 물질 위상 물질 쿼크-글루온 플라스마 초유체 보스-아인슈타인 응축 반물질 초고밀도 물질 WIMP |
| 상세 정보 | |
| 음의 질량 | 질량이 음수인 가상의 물질 |
| 기묘한 물질 | 안정적인 기묘한 쿼크로 구성된 물질 쿼크 물질의 일종 |
| 쿼크-글루온 플라스마 | 쿼크와 글루온이 자유롭게 움직이는 상태 |
| 초유체 | 점성이 없는 유체 |
| 보스-아인슈타인 응축 | 보존 입자들이 하나의 양자 상태에 있는 상태 |
| 반물질 | 일반 물질과 반대 전하를 가진 입자로 구성 |
| 초고밀도 물질 | 매우 높은 밀도를 가진 물질 (예: 중성자별 내부) |
| WIMP (약하게 상호작용하는 무거운 입자) | 암흑 물질의 후보 중 하나 |
| 연구 동향 | |
| 목표 | 새로운 물리 현상 탐구 우주론적 문제 해결 (암흑 물질, 암흑 에너지) 미래 기술 개발 (예: 음의 질량을 이용한 추진) |
| 연구 방법 | 이론적 모델링 실험적 연구 (입자 가속기, 재료 과학) 천체 관측 |
2. 역사
별난 물질에 대한 연구는 20세기 초부터 시작되었으며, 초전도체와 초유동체 등 특이한 현상을 보이는 물질들이 발견되면서 본격화되었다.
별난 물질은 물리학에서 여러 가지 의미로 사용되는 용어이다.
2016년 10월 4일, 왕립 스웨덴 과학한림원은 데이비드 사울레스 미국 워싱턴대 명예교수, 마이클 코스털리츠 브라운대 교수, 덩컨 홀데인 프린스턴대 교수를 2016년 노벨 물리학상 수상자로 공동 선정했다. 이들은 위상수학을 통해 이종물질을 설명하는데 성공했다.
2019년 1월 21일, 한국의 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 박제근 부연구단장(서울대 물리천문학부 교수) 팀이 정현식 서강대·박철환 서울대 교수와 공동연구를 통해 별난 물질 특징을 세계 최초로 실험으로 규명했다.[7]
3. 종류 및 특성
3. 1. 음의 질량
음의 질량은 가해진 힘과 반대 방향으로 가속되는 등 몇 가지 특이한 성질을 가질 것이다. '일반적인' 물질의 예상되는 행동과 일치하지 않음에도 불구하고, 음의 질량은 수학적으로 일관성이 있으며 운동량 보존 또는 에너지 보존을 위반하지 않는다.[8] 인공적인 웜홀과 알쿠비에레 드라이브의 구성과 같은 특정 추측 이론에서 사용된다. 이러한 이국적인 물질의 가장 가까운 실제 대표자는 카시미르 효과에 의해 생성된 가짜 음의 압력 밀도 영역이다.
음의 질량은 가해진 힘과 반대 방향으로 가속되는 등, 몇 가지 기묘한 성질을 나타낸다. 예를 들어, 음의 관성 질량과 양의 전하를 가진 물체는, 음의 전하를 가진 물체로부터 멀어지는 방향으로, 양의 전하를 가진 물체에 가까워지는 방향으로 가속된다. 이것은 같은 전하의 물체는 서로 밀어내고, 다른 전하의 물체는 서로 끌어당기는 통상적인 규칙과 반대이다. 이 운동으로부터 몇 가지 기묘한 결론이 도출된다. 예를 들어, 양의 질량의 입자와 음의 질량의 입자의 혼합 기체는, 양의 질량의 성분은 온도가 끝없이 상승하기 시작한다. 그러나 음의 질량의 성분은 같은 비율로 온도가 계속 내려가므로, 역시 균형은 유지된다. 음의 질량을 가진 물질은 하나 이상의 에너지 조건을 깨뜨릴 수 있다.
상식적인 방법이나 "통상적인" 물질의 기대되는 행동과 완전히 대립함에도 불구하고, 음의 질량은 수학적으로 완전히 모순이 없으며, 물리적으로 운동량 보존 법칙이나 에너지 보존 법칙의 파괴를 일으키지 않는다. 이 개념은 웜홀 이론 등 사고 실험적인 이론에 사용된다. 이 종류의 이국적인 물질로 잘 알려진 것으로, 카시미르 효과에 의해 생성된 가상의 음의 압력 밀도장이 있다.[9]
3. 2. 복소 질량 (타키온)
복소 정지 질량을 가진 가상의 입자는 항상 광속보다 빠르게 이동하며, 이러한 입자를 타키온이라고 부른다. 타키온의 존재는 아직 확인되지 않았다.[2]
:
정지 질량 이 복소수라면, 전체 에너지가 관측 가능한 양이므로 실수여야 하기 때문에 분모 역시 복소수가 되어야 한다. 따라서 제곱근 안의 값은 음수가 되어야 하며, 이는 속도 '''v'''가 광속 '''c'''보다 클 때만 가능하다. 그레고리 벤포드 등은 특수 상대성 이론에 따르면 타키온이 존재한다면 과거로 통신하는 데 사용될 수 있다고 지적했다.[2] (타키온 반원통 참조). 시간 여행은 비물리적인 것으로 간주되므로, 타키온은 물리학자들에 의해 존재하지 않거나, 일반적인 물질과 상호 작용할 수 없는 것으로 여겨진다.
양자장론에서 복소 질량은 타키온 응축을 유발한다.
3. 3. 고압 하 물질
고압 하에서 과량의 염소 또는 나트륨이 있는 상태에서 염화 나트륨 (NaCl)과 같은 물질은 고전 화학에서 "금지된" 화합물, 예를 들어 Na|3|Cl영어 및 Na|Cl|3영어로 변환되었다. 양자역학적 계산에 따르면 Na|Cl|7영어, Na|3|Cl|2영어 및 Na|2|Cl영어과 같은 다른 화합물의 가능성이 예측된다. 이러한 물질은 고압 하에서 열역학적으로 안정하다. 이러한 화합물은 심해 또는 행성 핵 내부와 같이 고압 환경에서 존재할 수 있다. 이 물질은 잠재적으로 유용한 특성을 가지고 있다. 예를 들어, Na|3|Cl영어은 순수한 나트륨과 소금 층으로 구성된 2차원 금속으로, 전기를 전도할 수 있다. 소금 층은 절연체로 작용하고 나트륨 층은 도체로 작용한다.
3. 4. 기타 별난 물질
보스-아인슈타인 응축이나 쿼크-글루온 플라즈마와 같이, 존재는 아직 일반적으로 확인되지 않았지만, 그 성질은 완전히 물리학의 주류 영역 안에 있는 물질 상태이다.[7] 이종 바리온과 같이, 존재는 아직 확인되지 않았지만, 그 물성은 물리학의 주류 영역 안에 있는 가설상의 입자도 별난 물질로 분류된다. 에키조틱 물질이라는 용어는 단순히 만들기가 어렵거나(금속 수소, 보스-아인슈타인 응축물) 특이한 특성을 가진 물질(풀러렌, 탄소 나노튜브)을 나타내는 데에도 사용된다. 또한, 암흑 물질처럼 그 정체가 명확하게 해명되지 않은 물질에도 사용된다.
4. 응용
별난 물질은 기초 과학 연구뿐만 아니라, 워프 드라이브나 EmDrive와 같이 다양한 분야에서 응용될 가능성을 가지고 있다.
4. 1. 워프 드라이브
SF 소설 스타트렉에 등장하는 워프 드라이브는 스타십을 광속보다 몇 배 빠르게 이동시키는 엔진이다.[8] 워프 드라이브는 음의 질량을 가진 별난 물질을 이용해야 작동할 수 있다. 알쿠비에레 드라이브는 워프 드라이브의 한 종류로, 1994년 멕시코의 물리학자 미겔 알쿠비에레의 계산에 따르면 이론적으로 빛보다 빠른 여행이 가능하다.[8] 알쿠비에레는 별난 물질 고리, 치우치지 않은 거품, 평평우주를 이용하여 정상 우주에서 빛보다 10배 빠르게 그 주변 우주로 이동할 수 있다고 주장했다.4. 2. EmDrive
EmDrive는 2000년 영국의 로저 쇼어(Roger Shawyer) 박사가 개발한 전자기파 추진기이다. 연료가 필요없다. 태양열 전지로만 우주선이 가속할 수 있다. EmDrive와 워프 드라이브는 무관하다는 주장과 관련있다는 주장이 대립하고 있다.[9]5. 한국의 연구 현황
기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단을 중심으로 별난 물질 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2019년 박제근 부연구단장 팀은 정현식 서강대·박철환 서울대 교수와 공동연구를 통해 별난 물질의 특성을 세계 최초로 실험으로 규명하는 쾌거를 이루었다.[7] 별난 물질 연구는 대한민국의 기초 과학 역량을 강화하고, 미래 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.
참조
[1]
논문
Direct observation of a magnetic-field-induced Wigner crystal
https://www.nature.c[...]
2024-04-10
[2]
논문
The Tachyonic Antitelephone
[3]
웹사이트
Scientists turn table salt into forbidden compounds that violate textbook rules
http://www.gizmag.co[...]
Gizmag.com
2014-01-21
[4]
논문
Unexpected Stable Stoichiometries of Sodium Chlorides
[5]
논문
The Tachyonic Antitelephone
[6]
서적
An Introduction to Quantum Field Theory
Perseus books publishing
[7]
뉴스
국내 연구진이 이론에만 있던 '기묘한 물질' 규명했다
연합뉴스
2019-01-21
[8]
뉴스
NASA "빛보다 10배 빠른 워프우주선 연구중"
ZDNet Korea
2012-09-20
[9]
뉴스
NASA, EM 드라이브 진공실험 후 추력 생산 확인
UPI뉴스
2015-11-08
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