Q1. 과학 인사이드 이 시간엔 알아두면 교양이 되는 다양한 과학 소재를 찾아 소개해드리고 있습니다. 지난시간엔 우리 생명의 기원을 풀어줄지 모르는 ‘소행성 베누’의 흙을 탐사선 오시리스-렉스가 지구에 배달했다는 흥미로운 소식을 전해주셨는데, 오늘은 올해 노벨물리학상을 소개해주신다고요예?
--> 오늘은 2023년 노벨물리학상 수상자와 이들의 업적을 전해드리려 합니다. 제목을 단다면, <2023년 노벨물리학상, ‘아토초 물리학’ 시대를 열다>쯤 되겠습니다.
Q2. 아, 그러고 보니 지금이 노벨상 발표 시즌이네요. 보통 물리학상이 가장 먼저 발표되는데, 지난주 발표됐지요. 수상자와 그들의 업적을 듣기 전에 먼저 궁금한 게 있는데, ‘아토초’라는 게 뭔가요?
--> 오늘의 핵심 단어인데요, 요즘 흔히 듣는 나노 (nano)는 십억(10의 9승)분의 1, 피코 (pico)는 일조(10의 12승)분의 1, 펨토 (femto)는 천조(10의 15승)분의 1을 말하는데, 그 다음이 바로 아토 (atto)인데, 백경(10의 18승) 분의 1을 말합니다. 그러니까 아토초라면 atto seconds, 10의 18승 분의 1초라는 극히 짧은 시간 단위를 의미합니다. 아토초 물리학이란, 극한의 짧은 시간을 포착하는 물리학을 말합니다.
Q3. 상상하기조차 힘든 짧은 시간의 과학, 아토초 물리학 시대를 연 과학자들이 이번 노벨상의 주인공들이군요. 2023 노벨물리학상 주인공을 먼저 소개해주시죠.
-->수상자는 피에르 아고스티니(82,프랑스) 미국 오하이오주립대 교수, 페렌츠 크라우스(61,헝가리 출신 독일) 독일 뮌헨공대 양자물리학과 교수, 앤 륄리에(65, 스웨덴, 프랑스 이중국적) 스웨덴 룬드대 교수 등 3명입니다.
노벨위원회는 “이번 수상자들은 원자와 분자 내부의 전자가 이동하거나 에너지를 변화시키는 빠른 과정을 측정하는 데 사용하는 극도로 짧은 빛의 펄스를 생성하는 방법을 개발했다"며 "원자와 분자 내부에서 벌어지는 전자의 세계를 탐험할 수 있는 새로운 도구를 인류에게 제공했다”고 설명했습니다.
Q4. 오늘 키워드가 아토초라고 말씀하셨는데, 얼마나 짧은 건지 도무지 상상이 되지 않습니다. 도대체 얼마나 짧은 시간인가요? 예를 들거나 비유적으로 설명이 가능할까요?
-->흔히 우리 사람의 크기가 기준이라면, 거시적으로는 가장 큰 우주가 있고, 미시적으로는 원자를 들 수 있습니다. 시간적으로 보면 우리의 심장박동 시간이 1초라면 가장 긴 시간으로는 우주의 나이 138억년(10의 18승 초)가 있고, 극한의 짧은 시간으로는 1초를 우주의 나이로 나눈 시간이 있는데, 바로 이것이 아토초입니다. 아토초는 ‘직접 측정할 수 있는 가장 짧은 시간 척도’라고 과학계는 말합니다.
Q5. 1초를 우주의 나이로 나눈 값이라...!! 상상하기 힘들지만 ‘가장 짧은 시간 척도’로 알겠습니다. 근데 왜 이토록 짧은 시간 척도가 필요한 건가요?
--> 그건 바로 원자 내에서 전자가 작동하는 시간과 속도이기 때문입니다. 예를 들어, 전자가 수소 원자의 핵 주위를 도는 데는 150아토초가 걸립니다. 그러니까 전자의 움직임을 잘 포착하려면 아토초 단위의 관측 기술이 필요한 겁니다. 빠른 물체의 사진을 찍기 위해서는 셔트 스피드를 빠르게 설정해야 하는 것과 같은 이치입니다. 현재 디지털 문명은 대부분 ‘전자 제어’를 기반으로 합니다. 현재 나노초 과학이 오토초 과학으로 바뀌면 정보처리 속도는 10억배 더 빠르게 처리할 수 있게 될 겁니다.
Q6. 전자처럼 빠르게 움직이는 물체를 어떻게 찍습니까?
--> 찍는다는 것은 빛을 쏘아 영상을 얻는다는 건데요, 특별한 빛이 있어야 겠지요? 수상자 중 안네 륄리에는 1987년 아토초의 세계를 열어볼 수 있는 도구를 최초로 발견했어요. 레이저 빛을 불활성 기체에 투과시킬 때 다양한 빛의 광파가 발생한다는 것을 발견했죠. 아주 짧은 순간 존재하는 빛의 파동을 발견했는데, 이게 엄청 빠른 전자의 사진을 찍게 해준다는 거죠.
Q7. 수명이 짧은 펄스일수록 빠른 물체를 찍을 수 있다는 거군요. 그렇다면 현재 기록은 어떻게 되나요?
--> 페에르 아고스티니팀은 2001년 250아토초 동안 지속되는 펄스를 개발했고요, 2년 뒤 륄리에교수 그룹이 170아토초로 경신했고요, 크라우츠는 2008년 80아토초 펄스를 개발해 새로운 기록을 세웠습니다. 현재 가장 짧은 빛 펄스에 대한 기네스기록 보유자는 스위스 취리히 공과대학 한스 야콥 보워너팀으로 43아토초입니다.
Q8. 마지막으로, 이번 노벨상 수상자들이 문을 연 아토초 물리학의 응용 분야는 어떤 것인가요?
--> 우선 전자와 관련된 모든 분야라고 할 수 있습니다. 먼저 전자공학을 들 수 있는데, 사실 현재 거의 모든 디지털기술 분야가 전자공학의 범주에 들죠. 또 인체 내 다양한 분자를 식별해야 하는 의료진단에도 사용되고, 전자를 제어하고 조작하는 ‘원자화학’ 분야가 새롭게 부상할 것으로 예상됩니다. 태양전지와 빛을 이용한 청정연료 개발 등이 여기에 해당됩니다.
Q9. 마무리 : 오늘은 2023년 노벨물리학상 수상자와 그 연구 업적을 살펴봤습니다. 원자 속의 전자의 세계를 들여다보는, 나노과학을 훨씬 뛰어넘는 아토초 물리학을 처음 만나는 의미 있는 시간이었습니다.
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