중국 연구진, 최저 온도 기록 갈아치웠다 [강석기의 과학풍경]

최근 중국 과학자들은 무(미세)중력 상태인 톈궁 우주정거장(사진)에 설치된 장비로 루비듐 원자의 온도를 절대온도 1천억분의 1켈빈(K)까지 낮추는 데 성공했다는 논문을 발표했다. 중국 유인우주국 제공

강석기 | 과학칼럼니스트

길이나 무게처럼 하한값이 있는 물리량은 그 값을 0으로 두기 마련이다. 이는 과학뿐 아니라 일상에서도 마찬가지다. 빈 저울의 눈금을 -100㎏으로 하자고 정하면 ‘굳이 왜?’라며 반발할 것이다. 그런데 이런 식으로 정한 물리량 측정 단위가 있다. 온도를 재는 섭씨 도(℃)로 물이 어는(또는 얼음이 녹는) 온도를 0으로 정했다. 그러다 보니 겨울철에는 마이너스 값을 흔히 접하지만 익숙한 우리에게는 자연스럽다.

그런데 과학자들은 하한값이 0이 아니라 마이너스의 어떤 값인 섭씨가 불편하다. 열역학을 비롯해 온도가 변수로 들어가는 그 많은 수식에 섭씨를 쓰면 너무 번거롭기 때문이다. 그래서 기체 실험 데이터를 해석해 추측한 온도 하한값을 0으로 하는 절대온도를 고안했고 그 단위를 켈빈(K)으로 정했다. 0K을 절대영도라고 하는데, -273.15℃에 해당한다.

물리학의 관점에서 온도는 원자의 운동에너지이다. 이런 게 완전히 멈춘 상태가 절대영도로 양자역학에 따르면 물리 세계에서는 도달하기 불가능하다. 지구에서 관측된 최저 온도는 -90℃, 즉 183K으로 하한값에서 여전히 한참 위다. 반면 우주의 평균 온도는 약 -270℃인 2.73K에 불과하다. 우리로서는 어떤 느낌일지 상상조차 안 되는 온도다.

과학자들은 여러 방법을 동원해 온도를 낮추는 시도를 했다. 1908년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오너스는 헬륨 기체를 압축하고 팽창하는 과정을 반복해 온도를 4K(-269℃)까지 낮춰 액체로 만드는 데 성공했다. 그리고 2K으로 낮추자 액체 헬륨은 점성이 완전히 사라져 벽면을 타고 흘러가는 초유체 현상을 보였다. 이처럼 0K에 다가갈수록 양자역학 효과가 커져 비직관적인 현상들이 나타난다.

물리학자들은 극저온의 하한값을 낮추는 연구를 계속했고, 1990년대 들어 레이저빔과 자기장으로 원자 기체를 가둔 뒤 팽창시키는 방법으로 100나노켈빈(nK), 즉 0.0000001K에 이르렀다. 여기서 더 내려가려면 중력의 효과를 없애야 해서 낙하탑 같은 장치를 쓰거나 아예 국제우주정거장으로 설비를 가져가 실험했고 그 결과 2021년 독일 연구진이 38피코켈빈(pK)까지 낮추는 데 성공했다. 피코는 10의 -12제곱, 즉 1조분의 1을 뜻한다.

최근 학술지 ‘사이언스’ 사이트에는 최저 온도 기록을 10pK으로 갈아치웠다는 베이징대를 주축으로 한 중국 공동연구자들의 논문이 실렸다. 즉 절대영도보다 불과 1천억분의 1K 높은 온도로 이전 기록인 38pK의 4분의 1이다. 이들은 톈궁 우주정거장의 무중력(엄밀히는 미세중력) 상태에서 루비듐 원자 200만개를 레이저빔으로 트랩에 가둔 뒤 출력을 조절해 에너지가 낮은 2천개만 남긴 뒤 팽창시켜 초당 0.2㎜ 미만의 속도로 거의 움직이지 않게 하는 데 성공했다. 이 속도는 온도 10pK, 즉 0.00000000001K에 해당한다.

수학에서 파이(원주율) 소수점 자리 기록(현재 62조8천억번째 자리까지) 경쟁이 있다면 물리학에서는 최저 온도 기록 경쟁이 있는 셈이다.