파이낸셜뉴스

'시간을 거꾸로 돌리는 것이 가능할까.'미국 연구진이 세상에서 가장 작은 백열등을 개발하고 이를 이용해 열역학과 양자역학의 경계에서 열역학의 특징을 볼 수 있다는 연구결과를 내놨다.

미국 로스앤젤레스 캘리포니아대 크리스 레간 교수팀은 나노미터(㎚=10억분의 1m) 수준의 필라멘트로 만든 세상에서 가장 작은 백열등을 이용해 미시 세계에 있는 양자역학 영역에서도 거시 세계의 특징인 흑체복사 같은 현상이 나타난 것을 확인했다고 5일 밝혔다. 이 연구결과는 '피지컬 리뷰 레터스(PRL)' 최근호에 게재됐다.

열역학 제2법칙인 엔트로피 증가의 법칙에 따르면 거시 세계에선 시간이 거꾸로 갈 수 없다. 양탄자에 포도주를 흘려 얼룩이 생겼을 때 지우기 힘든 것도 이런 이유다. 하지만 양자역학 세계와 같은 미시세계에선 이것이 가능하다.

일반적으로 백열등과 태양 등은 노란색 근처에서 강도가 제일 높고 붉은색이나 보라색으로 갈수록 강도가 낮아지는 흑체복사 분포를 보인다. 지난 1900년 플랑크는 이 흑체복사법칙을 설명하기 위해 양자(量子·에너지 덩어리)라는 개념을 도입해 노벨상을 받았으며 아인슈타인은 이 개념을 이용해 금속이 일정 수준 이상의 에너지(빛)를 받으면 전자를 내놓는 '광전효과'를 설명해 노벨상을 받았다.

연구진은 이 연구에서 스위치가 켜지기 전엔 맨눈으로 볼 수 없는 크기인 길이 1.4마이크로미터(㎛=100만분의 1m), 폭이 13㎚에 불과한 필라멘트를 이용, 아주 작은 전구를 만들었다. 그리고 탄소나노튜브의 양 끝에 팔라듐 전극과 금 전극을 붙이고 이 탄소나노튜브를 칩 속의 매우 작은 구멍에 걸친 다음 진공 상태를 만들었다. 여기에 전기를 보내면 탄소나노튜브가 가열돼 빛을 발하는 데 이 과정에서 매 초 수백만개의 광자가 방출되고 그 중 수천개가 우리 눈에 도달한다.

연구진은 바로 이 필라멘트가 열역학의 가정들이 적용될 만큼 충분히 크면서도 양자역학계의 세계로 생각할 수 있을 만큼 충분히 작다고 설명했다.

탄소나노튜브는 크기가 작은데도(미시적) 불구하고 그것이 내는 빛은 일반적인 백열등처럼(거시적) 흑체복사의 분포를 따르기 때문이다.

그동안 탄소나노튜브는 양자역학을 따르는 미시세계와 고전역학과 열역학을 따르는 거시세계의 중간영역에 속한다고 생각되는 중시계(中視界)에 위치해 있다고 알려졌었다.

연구진은 앞으로 이 필라멘트를 이용해 플랑크의 흑체복사 법칙을 계속 연구할 계획이라고 밝혔다.

플랑크의 법칙에선 완전한 흡수체이자 방사체인 흑체로부터 방출되는 열복사가 무질서하고 무작위적이지만 이를 구현한 탄소나노튜브 필리멘트는 양자역학계로 고려될 수 있으며 플랑크 법칙을 따르지 않을 수도 있을 것이라는 가정에서다.

레간 교수는 "양자역학은 매우 적은 수의 입자들을 가진 세계에서 사용하기에 적절한 이론이며 열역학은 매우 많은 입자들을 가진 계에서 사용하기에 좋은 이론"이라면서 "현재 인류는 이 두 극단 사이의 중간 영역에 적합한 이론은 갖고 있지 않은데 이를 알아내는 것이 목적"이라고 설명했다.

고등과학원 김재완 교수는 "열역학에서 시간이 거꾸로 갈 수 없다. 다만 시간이 거꾸로 가는 가역적인 현상은 자유도가 낮은 물리계에선 가능하다. 이 작은 물리계가 외부와 잘 격리돼 있으면 양자물리학적 현상을 보이고 가역적이 될 것으로 예상되기 때문에 이 논문은 의미가 있다"고 말했다.

/economist@fnnews.com 이재원기자＊용어설명■열역학=열과 에너지의 반응을 탐구하는 학문이다. 열역학 제1법칙은 '에너지는 보존된다'이다. 제2법칙은 '열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다'이다.

■양자역학=입자 및 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초 이론. 입자가 가지는 파동과 입자의 이중성, 측정에서의 불확정 관계 따위를 설명한다.

■흑체복사=흑체에서 방출되는 열복사. 온도와 상관관계가 있어서 어떤 물체에서 방출되는 복사 에너지나 색을 측정하면 그 온도를 알 수 있다.

■필라멘트=백열전구나 진공관의 내부에서 전류를 통하여 열전자를 방출하는 실처럼 가는 금속 선.

※ 저작권자 ⓒ 파이낸셜뉴스. 무단 전재-재배포 금지 [☞ First-Class경제신문 파이낸셜뉴스 구독신청하기]