물의 끓는점과 어는점을 기준으로 그 사이를 100등분한 것이 섭씨(℃)로 표기되는 온도다. 100℃는 물 분자가 가장 활발하게 움직이고 있다는 것을, 0℃는 물 분자가 정지 상태에 있다는 것을 말한다.

온도를 표기하는데 물을 적용하고 있는 것은 물이 가장 흔한 물질이기 때문이다. 반면 물이 아닌 다른 물질에 대해서는 K(켈빈)이란 단위를 사용한다. 물이 아닌 모든 물질에 적용할 수 있는 절대 온도를 가리킨다.

켈빈 온도 또는 절대온도라고 하는데 이 기준에 따르면 분자 운동을 정지해 운동 에너지가 0이 될 때가 0K다. 섭씨 - 273.15도가 0K에 해당하는 것이다. 분자 활동이 멈춰 에너지가 전혀 없는 ‘절대온도 0도(absolute zero)’ 상태를 말한다.

'0K'에 도달할 수 있는 장치 개발    

그동안 물리학자들은 0K라고 표현하는 이 절대 온도 상태를 입증하는 일이 불가능하다고  생각해왔다. 분자를 구성하고 있는 물질의 기본 단위, 원자(atom)의 움직임을 완전히 정지시킬 수 없다고 보았기 때문.

그러나 최근 이런 생각을 뒤집으려는 시도가 진행되고 있다. 12일 ‘워싱톤 포스트’, ‘인디펜던트’ 등 주요 언론에 따르면 미국 표준기술연구소(NIST)는 최근 절대온도 0도의 존재를 확인하기 위해 다른 어떤 물질보다 더 차가운 상태를 유지할 수 있는 초소형 알루미늄 드럼을 제작했다.

이 드럼을 대상으로 ‘양자 제한(quantum limit)’의 존재를 확인하고 있는 중이다. 물리학에서 ‘양자 제한’이란 양자 규모(quantum scales)를 측정할 수 있는 한계치를 말한다. 과학자들은 이 한계치를 ‘절대 영도’로 보고 있다.

라틴어에서 단위라는 뜻을 지닌 양자(quantum)는 쪼갤 수 없는 물질의 단위를 말한다. 일정한 진동시스템에서의 에너지와 운동량의 기본 단위다. E=hν=pc 란 관계식으로 표현되는데 여기서 h는 플랑크상수, ν 는 진동수, p는 운동량, c 는 진공에서의 광속을 나타낸다.

아인슈타인은 그 에너지양자를 진동수 ν인 전자기파 에너지를 구성하는 소량이라 보고 광자(光子)라고 했다. 또 장(場)의 양자론에서는 보스-아인슈타인통계에 따르는 소립자를 그 장의 양자라고 했다.

과학자들은 이 양자의 움직임이 너무 미세해 정지된 상태를 측정하기 힘들다고 판단해왔다. 그러나 최근 첨단 기술이 이를 가능하게 하고 있다. NIST는 이전에 불가능하다고 여겼던 매우 차가운 물질인 초소형 알루미늄 드럼을 만들었다.

양자 운동 5분의 1 수준으로 줄여    

그리고 매우 예민한 첨단 장치를 활용해 양자의 움직임을 관찰하고 있는 중이다. 연구에 참여하고 있는 존 토이플(John Teufel) 박사는 “이 연구를 통해 그동안 신비에 가려져 있던 양자역학의 한 비밀이 밝혀질 것”이라고 말했다.

관련된 논문은 지난 11일 ‘Sideband cooling beyond the quantum backaction limit with squeezed light’이란 제목으로 ‘네이처’ 지에 게재됐다. 주저자는 연구팀을 이끌고 있는 NIST의 토이플 박사다.

연구진에서 더 이상 온도가 내려가지 않는 과냉각(supercooling) 상태의 알루미늄 드럼을 개발한 것은 낮은 온도일수록 작은 움직임에 민감하게 반응하기 때문이다. 다른 열운동(thermal motion)이 제거된 극저온 상태에서 연구팀은 양자 에너지에 의한 움직임을 관찰하고 있다.

이 연구가 중요한 것은 광대한 우주의 힘을 관측하는데 기초자료가 되기 때문이다. 원자는 물론 원자 내에서 어떤 일이 일어나고 있는지 설명이 가능해지고 또한 우주의 힘을 분석하는데 기본적인 요소가 된다.

연구팀은 현재 냉각된 알루미늄 드럼 원자, 더 나아가 양자가스(quantum gas)를 냉각시킨 후 ‘절대 영도’ 상태에 근접하고 있는 중이다. 이 연구의 관건은 알루미늄 드럼의 온도를 어디까지 내릴 수 있는지 그 기술에 달려 있다.

과학자들은 그동안 냉각을 위해 레이저 광선을 사용해왔다. 그러나 물질 온도를 최저점으로 내리는데는 한계가 있었다. 레이저가 미세한 양자 무리(quanta) 사이를 뚫고 들어가 열을 빼앗아가지 못했기 때문이다.

NIST 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 초전도 회로를 이용해 특별한 레이저 빔을 짜내고 있다. 열을 산출하는 양자 움직임을 제어하기 위해서다. 토이플 박사는 “온도를 ‘절대 영도’ 수준으로 끌어내리지는 못하지만 많은 양의 열을 줄여나가고 있다”고 말했다.

지금까지 양자 운동(quantum motion)을 5분의 1 수준으로 끌어내렸는데 우주의 진공상태 온도와 비교하면 약 1만 배 더 차가운 것이다. 토이플 박사는 “지구 온도와 비교하면 100만 배나 더 차가운 상태”라고 설명했다.

관계자들은 NIST의 연구를 통해 그동안 불가능했던 ‘절대 영도’에 거의 도달할 수 있을 것으로 보고 있다. 양자역학에 있어 그동안 풀지못할 것으로 여겨졌던 ‘절대 영도’의 비밀이 밝혀질 것으로 예상되고 있다.