자기장의 휘젓기
지구내부에서 액체상태의 철과 니켈은 나침반의 바늘을 북으로 향하게 하는 자기장을 만들어 준다. 이러한 자기장 생성과정에 대한 이론적 설명에도 불구하고 과학자들은 그러한 유체발전기를 실험실에서 만들어낼 수 없었다. 그러나 지난 25년간의 연구 끝에 라트비아와 독일의 과학자들은 지구와 똑같이 실험실에서 자기장을 만들어낼 수 있게 되었고, 이를 통해 관련된 이론을 증명하기에 이르렀다[Phys. Rev. Lett. 84, 4365 (2000)].
보통 우리는 쇠막대에 도선을 감은 다음 배터리를 연결하여 자기장을 형성하여 왔다. 그러나 독일 Rossendorf Research Center의 Gunter Gerbeth에 의하면 그러한 자기장기술은 유체발전기에 의한 자기장 형성과 매우 다르다. 왜냐하면 막대자석의 경우에는 전류를 공급해 주는 배터리가 있지만, 지구와 같이 고립된 유체발전기의 경우에는 그 자체로서만 이루어져 있기 때문이다. 물론 작은 종자(seed) 자기장에 의한 시작이 있어야 하겠지만, 적절한 조건 하에서 고립된 유체를 휘저어 줄 때 실험실에서 전류와 자기장이 유지될 수 있다. 예를 들면, 유체발전기이론처럼 맨틀과 지구외각 사이에서 움직이는 금속액체에 의해서 전류가 형성되고, 따라서 지구자기장이 계속적으로 생성되어질 수 있는 것이다.
유체발전기이론에 의하면, 금속유체는 유도전류를 일으키는 종자자기장을 증폭 및 변형시킨다. 실제로 유도전류는 자기장을 생성할 뿐만 아니라 자기장이 안정수준에 이르기까지 계속 반복하여 증폭한다. 그러나 자기장의 증폭은 유체가 자기장선들을 붙잡아 변형될 때까지만 지속된다.
이러한 자기장의 증폭에 관한 조건으로 우리는 Raynold수를 가끔 사용하고 있는데, 특히 Raynold수가 클 때 이러한 조건이 만족된다(유체의 운동이 빠르거나 또는 유체를 이루는 계의 스케일이 클 때 Raynold수가 커진다). 그러나 지구의 경우, 비록 지구 내에서 유체의 운동은 느리지만, 지구의 거대한 스케일로 인해 자기장 증폭이 일어나기에 충분하다. 그러나 실험실에서 고립된 방식으로 자기장을 만들기 위해서는 작은 스케일로 인해 유체의 운동이 훨씬 빨라야 한다.
Gerbeth 연구진은 액체 소듐으로 채워진 2 m3의 통을 휘저어 줌으로써 15 m/s의 유체속도를 만들어 낼 수 있었고, 동시에 외부에서 작은 종자 자기장을 처음에만 잠시 공급하는 "유체발전기"에 관한 실험을 행하였다. 이 실험에서 그들은 액체소듐의 고전도성과 잘 조절된 유체의 속도장에 의해 유체 내에서 떨기자기장을 증폭할 수 있었고, 종자자기장을 껐을 때에도 여전히 자기장을 유지할 수 있었다. 그러므로 우리는
이러한 유체발전기 실험과 이론에 대한 증명을 통해 앞으로 다른 행성 또는 별에서의 자기장의 형성에 관해서도
이해하게 될 것이다.
Translated from English and reprinted with permission from the American Physical Society.
광속도보다 빠른 광파 우주공간을 나는 starship Enterprise호는 일상적으로 빛보다 빨리 다닌다. 그러나 물론 빛보다 빠른 것은 없다. 그 동안 물리학자들은 광속도 c(3×108 m/sec)보다 빠른 광펄스를 구상해 보곤 하였지만 이에 관해서 번번히 실패해 왔다. 최근 발표[Phys. Rev. Lett. 84, 4830 (2000)]에 따르면 놀랍게도 광펄스가 자유공간(빛을 많이 흡수하는 물질이 아닌)을 통해서 超光의 속도(빛보다 빨리)로 약 30 파장에 걸쳐 진행하였다. 이는 종전의 超光의 진행기록에 비해서 훨씬 더 먼 거리이다.
상대론에 의하면, 광신호보다 빨리 움직일 수 있다면 광신호가 도달하기 전에 먼저 도착하여 광신호가 도달하는 것을 관측하게 된다. 다른 말로 표현하면 미래를 예측할 수 있다는 것이기도 하다.
이러한 것은 그 동안 신성시되어 온 "항상 원인이 결과를 앞선다"는 인과율원리(causality principal)를 위반하게 된다. 많은 물리학도들은 광파가 매질을 통과할 때, 어떤 매질에서는 위상속도(phase velocity)가 광속도 c보다 커질 수 있다는 것에 대해서 알고 있다. 그러나 선생님들은 광펄스-군속도(group velocity)-는 결코 광속도 c보다 커질 수 없기 때문에 실제로 광신호는 c보다 빨리 진행할 수
없다고 말해 주곤 한다.
최근에 과학자들은 광속도 c보다 빠른 군속도들을 관측하였다. 캘리포니아 대학의 Raymond Chiao에 의하면 광속도 c보다 빨라질 수 없다는 것은 이제는 더 이상 사실이 아닌 것이다. 예를 들면 Gaussian 형태의 광펄스가 어떤 매우 높은 광흡수 물질에서 광속도 c보다 빨리 진행할 수 있다고 가정해 보자. 그러면 광펄스의 중앙부분은 최전방 가장자리에 비해서 더 많이 부서지게 될 것이다. 비록 펄스의 모양은 변하지 않겠지만 더 작아지게 되고, 앞선 가장자리 부분은 물질을 통과함에 따라 펄스의 중앙부분
으로 변환되어진다. 이러한 과정을 우리는 "재형성(reshaping)"이라 부른다.
그러므로 Chiao가 설명하였듯이 사실 펄스의 어떤 부분도 광속도 c보다 빨리 통과되어질 수는 없게 된다. 빠른 원자의 붙잡기 첨단무기로 무장한 스파이와 같이 고체물리학자들은 고체에서 가끔 원자진동을 관찰함으로써 원자의 사생활을 촬영하곤 한다. 최근보고[Phys. Rev. Lett. 84, 4425 (2000)]에서 과학자들은 빠른 원자의 구조변화를 관측하였는데, 그 변화는 수 백 femtosecond(10－15 초) 동안 순식간에 이루어지는 변화로서 물질 내의 전하 전도과정에 의해서 생긴다. 그러므로 우리는 이러한 변화를 관찰함으로써 물질의 성질을 조사할 수 있고, 이를 통하여 원자들의 재배치과정을 알아낼 수 있다.
그 동안 고체에서의 전자운동은 결정전체에 공간적으로 분포한 양자상태, 즉 Bolch파에 의해서 설명되어져 왔다. 그러나 Washington State University(Pullman)의 Susan Dexheimer는 최근 개발되고 있는 전자소재의 경우 국소화운동이 전하전달에 관한 주된 요인임을 지적하였다.
이러한 국소화운동을 조사하기 위해서 Dexheimer 연구진은 선형사슬분자의 형태로 구성된 물질을 사용하였고, 이 물질 내에서 레이저를 사용하여 광자흡수에 의해 생기는 국소화된 전자-구멍쌍(electron-hole pair), 즉 "자체적으로 트랩된 엑시톤"을 관측하는 실험을 행하였다. 그러면 물질 내에서 여기된 전자는 원자의 운동(phonon)을 생성 또는 포논에 대한 반응을 하게 되고, 결과적으로 엑시톤은 이웃간의 기준결합길이(normal bond length)를 변형시킨다. 이와 같이 기준결합길이가 변형됨으로써 동시에 엑시톤은 국소화의 단계에 이르게 되는 것이다. 국소화과정을 통해 엑시톤은 결국 "자체적으로 트랩"되고, 그 자체적 트랩의 상태는 수 피코초(picoseconds) 동안 지속된다. Dexheimer 연구진은 그들의 실험을 통해 처음으로 엑시톤이 형성되는 빠른 원자재배치과정을 관측하였다.
이러한 연구를 위해 Dexheimer 연구진은 주로 백금과 브롬 이온으로 구성된 무기폴리머 결정을 사용하였다. 그들은 무기폴리머 결정을 조사(prob)·폄프(엑시톤 형성)하는데 35 fs의 레이저 펄스를 사용하여 시료의 광특성 변화를 측정하였다. 그 결과, 시료에서의 강한 전자-phonon 상호작용 때문에 광반응은 마치 시간에 따라 벨울림과 같은 "떨기 및 붕괴"를 하는 것으로 관측되었다. Dexheimer 연구진은 그들의 결과를 설명하는데 기존의 이온진동 이론을 사용하기도 하였다. 그러나 한 두번 떨기 후에 붕괴되는 200∼300 fs 주기의 단일떨기(single oscillation) 결과에 대해 이온진동 이론은 불충분하였고, 다른 종류의 실험 - 즉 여러 광펄스에 대한 광특성 변화의 관측을 행하게 되었다. 이를 통해 그들은 그들의 실험결과가 자체트랩된 엑시톤의 생성에 의한 국소화된 구조변화 때문이라는 것을 알게 되었다.
Dexheimer은 그들의 실험에서 깨닫게 된 대단히 빠른 구조의 재배치과정에 대하여, 엑시톤의 형성이 격자의 진동주기만큼 빠르게 진행되었음을 지적하였다. 한편 MIT의 Keith Nelson은 "Dexheimer 연구진의 측정을 통해 국소화된 엑시톤의 형성과정을 알게 되었다" 라는 말로서 그들의 실험결과에 대한 중요성을 강조하였다.
[편집위원 유종훈
이러한 실험을 위해 Italy에 있는 National Research Council의 Anedio Ranfagni 연구진은 좁은 마이크로파(파장이 3.5 cm)를 고리모양의 입구를 통해 커다란 초점거울에 입사하였다. 이 때 거울은 마이크로파를 거울로
진행하는 또 다른 광선에 집점하는데 사용되었다이렇게 하여 그들은 마이크로파를 직 또 다른 광선에 집점하는데 사용되었다각펄스와 함께 변조하는데 사용하였고, 이를 통해 광원으로부터의 거리가 30 cm에서 140 cm인 위치에서 광펄스를 탐지하였다. 관측된 결과에 의하면 비록 1 m 정도의 거리이기는 하였지만 광펄스가 광속도 c에 비해서 57 % 높은 속도로 진행하였다. 그러나 Toronto 대학의 Steinber는 그들 실험의
부정확성 가능성에 대해서 언급하였고, 이러한 이유로 Ranfagni 연구진의 실험결과를 평가절하하였다. 그러나 이러한 논란에도 불구하고, Ranfagni는 그들의 결과에 대해 자신감을 피력하였고, 앞으로는 그들의 결과에 관련된 실험들이 광속도보다 빠르게 진행될 것이라는 말로서 그들의 실험의 중요성을 대신하였다.