윤암의 세상 살아가는 이야기

영화 ‘해리포터’에 등장하는 투명망토는 과연 언제쯤 현실이 될까. 이를 기대하는 이들에게 희소식이 있다. 3차원 투명망토가 개발되었다는 소식이다.

과학학술지 ‘사이언스’는 최신호에 3차원 투명망토가 세계 최초로 개발됐다는 연구결과를 발표했다. 2차원에서만 가능했던 투명망토가 평면을 벗어나 3차원 입체에서도 가능하게 된 것이다. 이번 연구결과는 관련 과학자들이 입을 모아 획기적인 성과라고 평가하고 있다.

2006년 허구에서 현실로

투명망토가 소설이나 영화와 같은 허구의 세계에서 빠져나와 현실로 들어온 건 2006년의 일이다. 2006년 초, 영국 런던 임페리얼컬리지의 이론물리학자 존 펜드리(John Pendry) 교수가 투명망토의 이론을 내놓으면서다.

그해 가을, 투명망토는 실제로 개발됐다. 미국 듀크대 데이비드 스미스(David Smith) 교수 연구팀이 투명망토를 최초로 내놓았다. 이렇게 해서 2006년은 투명망토의 해가 됐다. 사이언스지는 그해 10대 연구 성과 중 5위로 투명망토를 선정했다.

현재 투명망토는 ‘메타물질(metamaterial)’이라는 생소한 이름의 인공물질로 만들어진다. 원래 메타물질은 자연에서는 존재하지 않는 빛의 굴절률이 음인 인공물질을 만들기 위해 연구되었다. 그러다 2006년에 투명망토로 개발된 것이다.

투명망토로 쓰이는 메타물질은 빛을 흡수해서도 안 되고 빛을 반사해서도 안 된다. 빛을 흡수하거나 반사하면 우리 눈에 걸리기 때문이다. 대신 메타물질은 마치 냇물이 돌을 만나면 휘돌아 흘러가듯 빛을 휘게 한다. 빛이 투명망토를 돌아서 가기 때문에 마치 그곳에는 아무 것도 없는 것처럼 보인다.

하지만 종전까지 투명망토는 한 방향에서만 투명했다. 조금만 시선을 돌려도 투명망토는 물체를 전혀 감춰주지 못했다. 투명망토의 위력은 단지 2차원 평면에서만 가능했던 것이다.

눈에 보이지 않는 사물 감출 수 있어

진정한 투명망토는 어느 방향에서나 투명해야 한다. 최근 독일의 연구팀이 그 일을 세계 최초로 해냈다. 독일 카를스루에 기술연구소(Karlsruhe Institute of Technology)의 톨가 에르긴(Tolga Ergin) 연구팀이 3차원 투명망토를 개발했다. 연구팀은 메타물질에 얇은 금박을 씌움으로써 어느 방향에서나 물체를 감춰주는 투명망토를 만들어냈다.

연구팀은 메타물질에 얇은 금박을 씌우고 이 금박을 움푹하게 패이게 했다. 보통의 2차원 투명망토라면 이 움푹 들어간 부분은 사라지지 않는다. 하지만 연구팀이 개발한 3차원 투명망토는 이 움푹 팬 모습이 나타나지 않았다.

해리포터의 투명망토가 곧 세상에 나올 수 있는 걸까. 아직은 아니다. 이번에 개발된 3차원 투명망토는 매우 작은 물체만 감출 수 있이다. 연구팀이 움푹 패게 한 금박 부분은 가로 30μm(마이크로미터, 1μm는 100만분의 1m다), 세로 10μm에 깊이가 고작 1μm 밖에 안 된다. 확대경 없이는 보이지도 않는다.

연구팀은 “크게 만드는 게 원리적으로 불가능한 일이 아니다”라며 “이번 연구 성과가 3차원 투명망토 개발에 첫 발을 내디딘 것”임을 강조했다. 하지만 크게 만드는 일은 결코 쉬운 일이 아니다. 연구팀이 이 정도로 작은 입체구조를 만드는데 3시간이 걸렸다고 한다. 만약 깊이를 1μm에서 1mm로 늘릴 경우 상당한 시간이 걸릴 것이다. 우리 인간이나 건물을 감추려면 얼마나 오랜 시간이 걸릴지 가늠하기도 힘들다.

왜 가시광선은 힘들까
게다가 이번 투명망토는 우리 눈에 보이는 빛의 영역, 가시광선에서는 전혀 투명하지 않다. 그동안 개발된 투명망토는 전자레인지에서 사용하는, 파장이 긴 마이크로파 수준에서 투명하다. 비록 2008년에 나노미터(1nm=10억분의 1m) 규모의 투명망토에서는 가시광선도 가능하다는 연구결과가 나오긴 했지만 말이다.

이번 투명망토는 마이크로파보다 긴 적외선 영역까지 끌어올렸다는 점에서도 획기적이다. 그러나 가시광선에서 3차원 투명망토를 개발하는 것은 쉽지 않다. 현재 메타물질에 쓰이는 구성물질은 두께가 200nm 정도다.

가시광선에서 가능하려면 이를 10nm으로 줄여야 한다. 두께를 20분의 1로 줄인다는 건 말처럼 쉬운 일이 아니다. 연구팀은 이 정도로 작게 만드는 건 현재의 레이저 기술로는 어렵다고 인정했다. 그럼에도 이 분야의 과학자들은 이번 연구성과가 투명망토 개발에서 획기적인 성과라고 평가했다.

박미용 동아사이언스 객원기자 pmiyong@gmail.com

《우주의 시작인 빅뱅 이후 수백만분의 1초 만에 태어난 갓난아기 우주를 한국 과학자들이 포함된 대형 국제 연구팀이 찾아냈다. 유인권 이창환 부산대 물리학과 교수가 포함된 국제 연구 그룹 ‘스타(STAR)’는 4일 “반입자만으로 이뤄진 원자핵을 발견하는 데 성공했다”고 밝혔다. 이제껏 몰랐던 새로운 물질 상태와 초기 우주의 모습을 발견한 것이다. 이 연구는 국제학술지 ‘사이언스’ 5일자에 발표됐다. 스타 프로젝트는 미국 브룩헤이번연구소 중이온 가속기(RHIC)의 대형 검출기를 이용한 실험 프로젝트로 주로 무거운 입자의 성질을 연구한다. 이 프로젝트에는 12개국 54개 연구기관에서 500여 명의 과학자가 참가하고 있다.》

금 원자핵 충돌시키자 미니빅뱅 상태서 발생
초기우주입자 추정… 물질탄생 비밀 벗길 단서

○ 금 원자핵 빛의 속도로 충돌시켜

중이온 가속기는 무거운 금속 원자를 충돌시켜 일어나는 다양한 현상을 관찰한다. 정부가 1월 세종시에 유치하겠다고 발표한 국제과학비즈니스벨트에도 중이온 가속기 설치 계획이 들어 있다. 스타 연구진은 이번 가속기 실험에서 두 개의 금 원자핵을 빛과 같은 속도로 충돌시켰다. 금 원자핵 하나는 무려 1000억 eV(전자볼트)의 에너지를 갖고 있다.

두 개의 금 원자핵이 충돌하자 신기한 현상이 나타났다. 수조 도의 상상도 못할 고열이 발생하면서 원자핵이 모두 녹아 거대한 에너지로 바뀌어 버렸다. 우주가 태어나기 직전의 거대 에너지 상태 즉 ‘빅뱅이 일어나기 직전’의 축소판이 된 것이다.

이 에너지는 가속기 안에서 ‘미니 빅뱅’을 일으키며 우주가 처음 태어날 때 만들어졌던 작은 입자, 즉 쿼크 등을 만들기 시작했다. 그중 반입자로 불리는 반양성자, 반중성자, 반초입자(반람다입자)가 한데 뭉쳐 이번에 발견된 ‘반원자핵(반초삼중수소핵)’을 만들었다. 반입자는 다른 성질은 모두 같은데 전기적 성질만 다른 입자로 양성자가 플러스(+) 전하를 띠는 데 비해 반양성자는 무게, 모양은 모두 같고 마이너스(―) 전하를 띠는 것만 다르다.

유 교수는 “세 개의 반입자가 뭉쳐 만들어진 반원자핵이 발견된 것은 세계 최초”라며 “카드 게임에 빗대면 확률적으로 희귀한 로열 스트레이트 플러시가 뜬 셈”이라고 말했다. 반원자핵은 수천억분의 1초 만에 붕괴하며 사라졌지만 자신의 흔적을 검출기 안에 남겼다. 유 교수는 “이 현상은 2007년에 처음 발견됐으며 2008년 하반기부터 분석이 시작돼 이번에 논문으로 나왔다”며 “당시 연구원들 모두 ‘어떻게 이런 게 나올 수 있나’ 하고 신기해했다”고 설명했다. 유 교수와 이 교수, 최경언 씨(박사과정)는 스타 연구그룹 안에서 중이온 충돌 실험 검출기 개발과 데이터 분석에 참여했다.

● 끈적거리는 액체 같은 초기 우주

가속기 안에서 순간적으로 생겨났다 사라진 이 입자가 왜 중요한 걸까. 빅뱅 이후 태어난 우주의 첫 모습을 밝히고 물질의 신비도 벗겨낼 수 있기 때문이다. 이 교수는 “지금은 존재하지 않지만 빅뱅 이후 만들어진 첫 물질 중 하나에 가장 가까이 다가간 셈”이라며 “우주의 진화와 물질의 탄생을 열 수 있는 열쇠를 발견한 것”이라고 비유했다.

한때 빅뱅 이후 첫 우주는 기체에 가까운 플라스마 상태여서 초기에 만들어진 입자들이 자유롭게 움직인다고 생각했다. 그러나 유 교수는 “요즘에는 첫 우주가 매우 끈적끈적한 액체와 비슷한 상태였을 거라고 많이 생각한다”며 “이번 연구는 그것을 증명해주는 것”이라고 설명했다. 유 교수에 따르면 초기 우주에서는 수많은 입자들이 강하게 상호작용을 하며 서로 얽혀 존재한다. 이 중에는 마치 패거리처럼 떼를 지어 다니는 반입자들도 생겨났다. 이들이 뭉치는 바람에 ‘반양성자 반중성자 반초입자’가 결합한 ‘반원자핵’이 태어났고 이번에 가속기 안에서도 볼 수 있었다는 것이다. 유 교수는 “우주 초기에는 기묘한 형태의 원자들이 많이 만들어졌을 것”이라며 “이번 발견은 그들을 관찰하는 출발점이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 초기 우주에서 반입자가 많이 만들어졌을 것이라는 예측도 뒷받침한다. 과학자들은 빅뱅 이후 입자와 반입자가 같은 양으로 만들어졌을 것으로 예상한다. 그러나 ‘대칭 깨짐’이라는 현상 때문에 입자가 더 많이 살아남았고 결국 지금의 우주가 되었다는 것이다. 만일 대칭 깨짐 현상이 없었다면 모든 입자와 반입자가 충돌해 사라지면서 현재의 우주도 없었을 것이다.

유 교수는 “만일 반입자가 더 많이 살아남아 지금의 우주를 만들었다면 비유적으로 표현해서 원자핵은 마이너스 전하, 전자는 플러스 전하를 띠게 됐을 것”이라며 “우리 우주와 다른 차원의 또 다른 우주에서는 반입자로 만들어진 우주도 존재할 것”이라고 말했다.

김상연 동아사이언스 기자 dream@donga.com