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파리 올림픽이 열리는 2024년의 여름은 온 세계가 유난히 덥다. 폭염의 계절에 가장 낮은 온도에 대해 잠간 생각해보자. ‘온도’라고 하면 사람들은 기온과 체온을 생각한다. 열의 근본적인 성질을 연구하는 분야를 물리학에서는 열역학(熱力學 thermodynamics)이라 한다. 온도는 어디까지 올라가고 내려갈 수 있을까?
NASA의 보고에 의하면 태양의 중심부 온도는 약 1,500만℃라 한다. 더 높은 온도는 이 우주에 없을까? 과학자들의 이론에 의하면 우주가 처음 탄생하던 첫 순간의 온도는 1.417에 0을 32개 붙인 절대온도(K)였고, 이보다 더 뜨거운 온도는 없다고 설명한다. 이 최고의 온도(절대 고온 absolute hottest)를 물리학에서는 ‘플랑크온도’라 말한다.
반대로, 물질을 구성하는 입자들의 운동이 완전히 정지하면 거기에는 열에너지가 전혀 없는 최저의 온도가 된다. 이론적으로 입자의 운동이 완전히 정지하는 일은 없지만, 만일 그렇게 된다면 –273.15℃까지 온도가 내려갈 수 있다고 한다. 이 최저의 온도를 절대 0도(absolute zero)라 말하고, 표현할 때는 0 K라고 나타낸다. 이때 K는 캘빈(kelbin)이라 읽는다.
온도를 나타내는 3가지 단위
온도의 정도를 나타내는 단위로는 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도 3가지가 일반적으로 사용된다. 섭씨온도는 물이 어는 온도를 0도, 끓는 온도를 100도로 100등분 하여 정하는 온도이며 ℃로 표현한다. 화씨온도는 바닷물이 어는 온도를 0도로 하고, 인체가 나타내는 최고 체온을 100도(처음에는 90도)로 하여 정한 온도이며 F로 나타낸다. 그래서 0℃는 32F가 되고, 40℃는 104F가 된다. 절대온도 K에 대해서는 위에서 먼저 간단히 설명했다.
섭씨온도(degree Celsius, centigrade)를 ℃로 표현하는 것은 스웬덴의 과학자 셀시우스(Anders Celsius 1701-1744)가 1742년에 처음으로 온도의 단위를 제안했기 때문이다. 온도 단위를 표현하는 우리말 섭씨(攝氏)는 Celsius의 한자(漢字) 첫 발음에 이름 씨(氏)를 붙인 것이다.
한편 화씨의 F는 온도 단위를 처음 제안한(섭씨보다 18년 먼저) 독일의 과학자 파렌하이트(Daniel Faharenheit 1686-1736)의 이름을 딴 것이다. 파렌하이트는 1724년에 이 온도 단위를 제안했으며, 우리말 화씨(화씨華氏)가 된 것은 파렌하이트(화렌하이트)의 ‘화’에 ‘씨’를 붙인 것이다.
가장 낮은 온도의 연구
온도는 지극히 높아질 수 있다. 어떤 물체가 가진 열이라는 것은 그 물체를 구성하는 입자들이 운동하기 때문에 발생하는 것이라고 앞에서 설명했다. 만일 입자들의 운동이 완전히 정지된다면 그 물체의 온도는 가장 낮은 온도(절대온도 0도, 0 K)가 될 것이다. 과학자들은 가장 낮아질 수 있는 0 K가 약 –273.15℃라고 한다.
네덜란드 라이덴 대학의 물리학자 오너스(kamerlingh Onnes 1853-1926)는 1908년에 헬륨의 온도를 –269℃(절대온도 4 K)까지 내리자, 기체 상태이던 헬륨이 액체헬륨으로 되는 것을 실험으로 확인했다. 그로부터 2년 뒤인 1911년, 그는 이런 초저온 조건에서 수은(고체상태)의 전기저항을 조사하던 중에 4 K가 되자 갑자기 수은의 전기저항이 완전히 사라져버리는 '초전도 현상'을 발견했다.
오너스의 발견 이후 초전도 현상이 대단히 중요한 물리적 성질이라는 것을 알게 되었고, 1913년에는 납이 7 K에서, 1941년에는 니오븀질화물이 16 K에서 초전도 현상을 나타난다는 것을 알게 되었다. 초전도 현상이 일어나면 전기에너지 소비가 없어진다. 그러나 왜 초전도 현상이 나타나는지 그 이유는 지금도 확실히 알지 못하며, 양자역학 이론으로만 설명되고 있다.
한편 초전도 현상을 연구하던 독일의 물리학자 메시너(Walther Messiner 1882-1974)와 오첸펠트(Robert Ochenfelt 1901-1993) 두 사람은 초저온이 되면 전기저항이 없어지는 동시에 금속이 가지고 있던 자기장(磁氣場)까지 없어지는 것을 발견했다. 물리적으로 전류가 흐르면 그 주변에 자기장이 형성된다. 그런데 초저온에 이르자 자기장까지 사라진 것이다. 이런 현상을 ‘메시너 효과’라 한다.
초전도 현상에 대한 연구가 진전되면서, 티타늄과 니오븀을 포함한 물질도 초전도성이 강한 것을 알게 되었고, 초전도 현상은 양자컴퓨터 개발에까지 이용하게 되었다. 오늘날 초저온 상태에서 일어나는 현상을 이용하여, 전기에너지가 적게 소비되면서 강력한 자성을 갖는 MRI를 개발하여 인체를 진단하게 되었고, 몇 나라에서는 자기부상열차라 불리는 자력의 반발에 의해 공중에 뜨고, 자력의 인력과 척력에 의해 고속으로 전진하는 교통기관을 개발하고 있다.
한편 과학자들은 초저온까지 내려가지 않더라도 저항이 없어지는 새로운 물질(저온초전도물질)을 찾고 있다. 또한 상온(25℃)에서도 저항이 없어지는 상온초전도물질까지 연구한다. 이런 초전도물질이 개발된다면 전기에너지를 극도로 절약할 수 있게 될 것이다.
디지털정보를 저장하고 송수신하는 데이터센터의 컴퓨터 시스템에서 대량의 열이 발생하는 것은 바로 전기저항 때문이다. 그래서 데이터센터에서는 컴퓨터 시스템의 온도를 냉각시키기 위해 막대한 전기에너지를 소비한다. 데이터센터의 칩과 회로를 전기저항이 없도록 만들 수 없을까? 초전도 현상을 이용하여 이 문제를 해결하게 되기를 기대해 본다. - YS
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