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| CERN에서 1,000초(16분 40초) 동안 붙잡은 양전자(포지트론)의 사진. 최초로 발견된 반물질이다. 포지트론과 일반적인 음(-) 전자로 구성된 원소에 대한 것은 포지트로늄 문서로. |
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1. 개요
反 物 質 / Antimatter물질이 입자로 이루어진 것처럼, 일반 입자와 특정 성질이 반대인 반입자( 反 粒 子)로 이루어진 물질이다.
2. 설명
성질이 반대라는 것은, 전하량을 예로 들자면, 전자의 전하량이 -1이라면 반물질인 양전자(포지트론)는 전하량이 +1인 것과 같다. 색전하를 띠는 입자인 쿼크의 경우 반쿼크는 그 색전하 또한 반대다.[1] 반중성미자는 전하나 색전하가 없지만, 반드시 [math(+\hbar/2)]라는 양의 나선도(helicity)[2]를 보이는 오른손잡이 입자로, 나선도가 [math(-\hbar/2)]로 무조건 왼손잡이인 중성미자와는 정반대다. 질량과 스핀 등, 다른 특성들은 동일하다.1928년 폴 디랙의 디랙 방정식으로부터 반물질의 존재가 예견되었고, 1932년에는 칼 앤더슨에 의해 반물질을 구성하는 반입자 중 하나인 양전자가 실제로 발견되었다. 더 무겁고 복잡한 반입자인 반양성자[3]는 1955년 가속기 실험을 통해 존재가 입증되었고, 반중성자는 1956년 캘리포니아대학 베바트론에서 6.2GeV에너지 충돌 실험 중에 발견되었다.
반물질은 실제로 존재하지 않는 것이라거나 이론상으로만 존재하는 것이라고 하는 잘못된 정보가 떠돌아다닌다. 그러나 반물질이 예견되고 발견된 것은 이미 20세기 초반의 일로, 실제로 존재하는 것임이 이미 오래전에 밝혀졌다.
반입자의 명칭은 대응되는 입자의 이름 앞에 반(反, anti-, 안티)이라는 접두사를 붙여 나타내며, 기호로는 윗줄(macron)을 그어 표시한다. 예를 들어, 중성자(中性子, neutron, 뉴트론)의 반입자는 반중성자(反中性子, antineutron, 안티뉴트론)라고 불리며, 기호로는 [math(\bar{n})]와 같이 표기한다. 예외적으로 최초로 발견된 양전자(positron, 포지트론)의 경우에는 반전자(antielectron, 안티일렉트론)라고 부르는 경우가 드물며[4], 화학과 물리학에서 전자를 e-와 같이 표기하기 때문에 윗줄을 긋지 않고 e+와 같이 표기하는 경우가 더 많다. 양전자를 positron이라고 부르는 것에 반하여 매우 드물게 일반 전자를 negatron(네거트론)이라고 부르기도 한다.
세계에서 2번째로 비싼 물질이다.[5] 제작 비용을 고려하면 그 값은 1g에 무려 8경 9,683조 원이라고 한다. 물론 반물질이건 오가네손이건 극소량을 실험실에서 제작할 때의 비용으로 가치를 추산한 것이고, 현재는 거래는커녕 제대로 유지할 방법도 없으므로 별 의미는 없다.
반물질이 곧 자기 자신인 마요라나 페르미온이라는 것도 있다.
3. 쌍소멸과 쌍생성
반물질은 물질과 닿으면 일으키는 쌍소멸(pair annihilation)로 유명하다.[6] 이때 나오는 에너지는 E=mc²에 m을 넣고 2를 곱해주면 나온다. 미세한 차이가 있지만 거의 100% 전환된다고 해도 무방하다. 핵분열과는 비교가 안 되는 것이, 핵분열 반응은 원자량이 큰 원자핵이 다른 원자핵으로 분열되면서 분열되기 전 원자핵의 핵자 간 결합에너지와 분열된 후 두 원자핵의 핵자 간 결합에너지 차이만큼이 에너지로 나오므로 이때의 효율은 원재료 질량의 1퍼센트에도 한참 못 미친다. 하지만 쌍소멸반응에서는 일반적인 물질과 반물질의 거의 전체가 분해되고 분해된 만큼의 에너지가 튀어나오기 때문에 비교가 불가능하다. 그리고 원리상으로는 비슷한 핵융합과도 규모 면에서 비교가 안 되는데, 기본적으로는 핵융합과 쌍소멸이 비슷하나 수소 원자 네 개가 핵융합하면 헬륨이 생성되며, 이것 역시 남는 질량만큼만 에너지로 변한다. 핵융합은 1중 수소 네 개의 질량을 합친 값의 약 0.7%가 헬륨으로 융합할 때마다 에너지로 변환되어 나온다. 그러니 쌍소멸 반응에서 나오는 에너지가 압도적일 수밖에 없다.[효율]이러한 물질과 반물질, 특히 주로 예시로 드는 정지상태의 전자와 양전자 간의 쌍소멸 시에는 빛 에너지 즉, 한 쌍의 광자가 생성된다. 이때 생성되는 광자는 쌍소멸 전의 전자와 양전자가 가지고 있던 각운동량과 에너지, 운동량이 보존되어야 한다. 이는 다시 말해 전자-양전자가 정지 상태에서 쌍소멸이 일어났다면 두 입자의 운동량의 합은 필연적으로 0이 된다. 따라서 쌍생성 후 방출되는 광자의 전체 운동량의 합도 역시 0이 되어야 한다. 그런데 광자의 속도는 c로 일정하여야 하기 때문에[11][12] 방출되는 광자의 운동량의 합이 0이 되려면 서로 반대되는 방향으로 운동하는 두 개의 광자, 즉 한 쌍의 광자가 방출되어야 한다.
반대로 쌍소멸이 아닌 쌍생성(pair production) 과정도 존재하는데, 이는 위에서 설명한 쌍소멸과 반대로 큰 에너지를 가진 광자가 상호 작용하여 기본 입자(대표적으로 전자)와 그에 반대되는 반물질 입자(양전자) 쌍을 만드는 것이다. 이 과정 또한 생성 전후의 운동량과 에너지, 물리량 등이 보존되어야 한다. 상온, 공기 중에서도 입자와 반입자만 있으면 손쉽게 일어나는 쌍소멸과는 다르게 쌍생성은 상당히 혹독하고 극단적인 환경에서만 주로 일어난다. 가장 대표적인 것이 페타와트급 첨두출력의 레이저를 집속시켜 두 개의 광자를 충돌시켜 전자와 양전자가 쌍으로 만들어지는 Breit-Wheeler 효과다.
불확정성 원리에 따르면 아무것도 없어도 전자-양전자 쌍이 쌍생성됐다 다시 합쳐지며 쌍소멸하는 현상이 일어난다는 양자 요동 또는 양자 떨림(Quantum Jitter)이 가능할 수 있다. 이러한 전자-양전자 쌍이 유지되는 시간은 극히 짧지만 블랙홀과 같이 특정한 조건이 주어지면 이러한 현상을 관측할 수 있다고 한다. 자세한 사항은 호킹 복사 문서로.
양전자는 간혹 전자와 만나 쌍소멸하지 않고 포지트로늄이 되기도 한다.
4. 제조
반중성자, 반양성자같은 반물질의 일반적인 생성 방법은 중이온가속기 같은 입자가속기로 만드는 것이다. 상대적으로 질량이 더 많이 작은 양전자는 집속시킨 페타와트 출력의 레이저를 시편에 입사시켜도 제법 생성된다.이에 대한 연구가 활발히 진행 중인데 2004년에 CERN(유럽입자핵공동연구소)에서 1조분의 몇 그램 정도를 만들어 냈다. 1년 동안 만들어도 100W 전구를 3초 정도 밝힐 수 있는 정도의 양이었는데, 미량이나마 반양성자의 존재를 확인한 데에 의의가 있다.
이후 2008년에 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소에서 강력한 레이저를 이용한 입자가속기로 천 억(1011)개가 넘는 반양성자를 만들어냈다. 물론, 0℃, 1기압에서 200mL짜리 우유 팩 하나에 들어 있는 기체 분자가 약 53해 7400경(5.374×1021)개라는 것을 감안하면 아직도 갈 길이 아득히 먼 수준. 이처럼 만들기 어렵기 때문에 가격도 비싸다. 1g당 약 7경 원[13]으로 오가네손 다음으로 비싸다. 같은 질량의 금값보다 약 1조 배 비싸다.
2011년 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)의 STAR 그룹에서는 인류 역사상 가장 무거운 반물질 원자인 반헬륨(He-4)을 발견하였다.[14] 이는 네이처에 발표되었고, 국내에서는 부산대학교 유인권 교수팀이 연구에 참여하고 있다고 대서특필 되었다.
사실 쌍생성으로 인해 일상 자연환경에서도 반물질은 생성된다. 반입자 하나가 주변에 즐비한 입자와 만나서 쌍소멸로 에너지를 방출하게 되는 것처럼 어떤 에너지가 어떤 기회로 인해 쌍생성으로 이어지고 그에 해당하는 에너지만큼 반입자와 입자를 만들고서 남은 에너지를 각각 운동에너지로 가지고 진행하다가 다시 쌍소멸로 사라지는 것이 다반사이다. 우리 몸속에서도 아주 가끔 일어난다. 예를 들어 칼륨의 동위원소 중 하나인 K-40은 가끔 양전자를 내놓는 붕괴를 하기도 한다.[15] 하지만 이런 개별적인 현상은 절대적 에너지양이 매우 작기 때문에 해가 없다. 우리가 느끼지도 못할 만큼의 에너지인 것. 앞서 말한 1g의 경우에는 그 전체가 반물질로 이루어져 있기에 가능한 것이다. 따라서 이때 입자가속기를 쓰는 이유는 이런 기회를 보다 확실하게 하기 위해서인데, 단위 공간당 에너지를 최대한 밀집해서 더 높은 확률로 쌍생성을 얻어낼 수 있기 때문이다. 또한 입자가속기 특성상 전하 또는 반전하는 자기장으로 궤도를 일부 제어할 수 있는 데다가 거대한 감지기로 입자의 종류와 특성을 관측할 수 있는 이유도 있다.
이러한 반물질은 그냥 내버려두면 물질과 반대 전하를 갖고 있으니 서로 끌려서 쌍소멸해버리기 때문에 수명이 극히 짧다. 그러나 반중성자처럼 전기적으로 중성인 입자는 전기장의 영향을 거의 안 받기 때문에 포획이 엄청나게 어려워지므로 보관하는 것도 쉬운 일이 아니다. 현재는 강력한 자기장으로 진공상태의 병 내부에 띄워놓는 Penning trap 방식을 사용 중이며, 미래에는 반수소를 절대온도 가까이 얼려 반수소얼음으로 만들어 보관할 수 있을 것으로 기대된다. 이론상 반수소얼음은 반자성을 가져 강력한 자기장 내에서 공중에 뜨며, 온도가 너무 낮아 입자가 거의 정지해있어 물질과 쉽게 반응하지 않는다. 하지만 일부분이라도 반응하게 된다면 온도가 높아져 얼음이 녹고, 액체 혹은 기체가 돼서 반응도가 높아진 반수소가 더 많은 반응을 일으키는 재난을 일으킬 수 있다. 출처
보관에 관해서도 지속적으로 연구가 거듭되고 있는데, CERN에서 보관 시간을 계속해서 갱신해 나가는 중. 2011년 6월 5일 기준으로 1,000초(약 16분) 동안 보관시키는 데 성공했다. 기사 사실 반물질을 가두는 기술은 입자물리학보다는 진공과학에 영향을 받는다. 아무리 낮은 진공이라도 입자가 하나도 없을 수는 없기 때문에 쌍소멸하기 마련이기 때문.
반물질을 충분히 많이 생산할 수 있다면 ACMF나 빔코어 로켓엔진과 같은 로켓 추진장치로 사용 가능성이 열린다. 특히 쌍소멸 반응 입자를 추진제로 사용하는 빔코어 같은 경우 핵분열이나 핵융합과 비교할 수 없는 높은 효율을 가져 ISV 벤처 스타와 같은 항성 간 우주선을 가능케 할 수 있다.
입자가속기에서 반물질이 쌍소멸할때 나오는 에너지보다 더 많은 에너지를 주입해서 반물질을 만드는 과정을 고려할 때, 공학적으로 반물질은 배터리의 일종이라 볼 수 있다.
5. 반물질 우주
빅뱅에 관련된 이론 중에는 우주는 물질과 반물질의 자리다툼 끝에 태어난 것이라는 주장도 있다. 우주의 급속 팽창에 의해 물질과 반물질의 거리가 멀어지면서 국부적으로 균형이 무너졌다는 것이다. 에너지에서 물질이 하나 생성되면 반물질도 같이 하나 생성되므로 이론상 우주적으론 이 둘이 균형을 이뤄야 한다는 점에서 이러한 주장이 나왔다. 이 이론과 평행우주 이론을 조합하면서 순수하게 반물질만으로 이루어진 우주도 존재할 수 있다는 이야기를 하는 자도 있다. 사실 반물질과 물질은 성질이 전혀 다른 게 없거나 아예 반대이므로 반물질을 물질이라 하고 물질을 반물질이라 불러도 문제가 없다. 물질이 물질인 이유는 물질이 더 많기 때문이다.물론 우리 우주 안에도 반물질만으로 이루어진 은하들이 있다고 하면 평행우주가 필요 없이도 이런 가정이 가능하다.[16]
현재는 빅뱅 당시 물질-반물질 생성이 동일하게 형성되었으나, 중입자 생성 과정에서 균형이 어긋나서 물질이 훨씬 많이 남았다는 쪽이 정설이다.
다른 가설도 있는데, 반물질은 시간이 거꾸로 흐르는 입자와 구별할 수 없는데, 빅뱅 당시 반물질이 생성되었다면 이 반물질은 시간을 역행해 빅뱅 이전으로 돌아간다는 것이다. 즉 빅뱅을 기준으로 우리의 우주와 함께 시간이 거꾸로 흐르는 우주가 탄생했고 그 우주에 반물질이 있다는 것.
6. 디랙의 바다
발견되기 전에 이론적으로 존재가 예견되었는데, 폴 디랙이 상대론을 어느 정도 반영한 형태로 양자 역학에서 쓰이는 방정식을 수정했을 때 에너지(전하가 아니다.)가 플러스인 전자와 마이너스인 전자를 근으로 얻었다.(양쪽 모두 전하는 마이너스이다.) 처음에는 질량이 마이너스일 수 없다는 이유에서 무시되었지만, 이후 그 의미를 다시 해석해서 양전자의 존재를 예측하게 되었다. 물론 질량이 마이너스인 전자 자체가 양전자인 것은 아니다. 음의 에너지를 가진 전자가 모든 가능한 위상공간을 차지하고 있으며, 이것을 '디랙의 바다'라고 부른다. 여기에 에너지를 주면 에너지가 낮은 전자가 에너지를 받아서 보통의 전자가 되고, 그 '전자가 빠져나가면서 음의 에너지 위상에 생기는 구멍'이 질량은 플러스인 양전자가 된다는 설명이다. 쉽게 얘기하면, 물통에 물을 가득 채워넣고 물방울을 떼어내서(에너지를 줘서) 공기에는 물방울(전자)을 만들고 물에는 공기 방울(양전자)을 만든다고 생각하면 된다.이는 어디까지나 폴 디렉의 설명이며, 현재는 이런 방식으로 반물질을 설명하지는 않는다고 한다.[17] 더 수학적으로 복잡하지만 완성도가 높은 방법으로 설명한다고. 좀 더 자세히 설명하자면 디랙 장(Dirac field)을 두 파트로 쪼갤 수 있는데[18], 그 중 한 파트가 보통 물질에 해당하고 나머지 한 파트가 반물질에 해당한다.
이후 모든 물질에 대응하는 반물질이 발견되는데, 처음엔 전자만 이를 가진다고 생각해서 양전자라는 이름을 붙였으므로 전자의 반물질만이 특별한 이름을 가진다. 한국어에서도 반전자가 아니라 양전자라고 부르는 점에서 이를 어느 정도 반영하고 있다. 어느 정도.
사실 반물질 중에서 가장 안정한 것이 반전자이다. 반물질 중에서는 최초로 발견되었으며, 또 '물질'을 제외하면 유일하게 입자 가속기 외의 장소( 우주)에서 최초의 발견이 이루어졌다.
7. 반물질 인간
우스갯소리로 상대방에게 악수를 위해 오른쪽 손을 내밀어 달라고 했을 때 왼손을 내민다면 당장 도망치라는 이야기가 있는데, 리처드 파인만의 <파인만의 물리학 강의> 1권에서 소개되기도 했다.물론 농담에 불과하고, 실제로는 반물질로 이루어져 있으면서 왼쪽-오른쪽이 뒤바뀐 우주인 CP-반전우주는 존재할 수 없다. 그런데 반물질로 이루어져 있으면서 왼쪽-오른쪽이 뒤바뀌고 시간이 거꾸로 가는 우주, 즉 CPT-반전우주는 존재할 수 있다. 정말 보기 이상하기야 하겠지만, 현재로서는 이 우주가 불가능하다는 증거는 없다. 오히려 광학 이성질체로 이루어진 반전인간일 가능성이 높다.[19]
비슷한 예로, 거울 나라의 앨리스에서 만약 정말로 거울 속 세계가 존재한다면 거기에 있는 우유를 절대 마시면 안 된다는 얘기도 있다. 이 얘기가 처음 나온 것은 유당의 광학 이성질체에 관해서였다. 인체의 유당 분해 효소로는 광학 이성질체와 구조가 들어맞지 않아 분해가 불가능하기 때문. 물론 반물질에 대한 메타포로 이해할 수 없는 것도 아니다.
마찬가지로 만약 우주가 뫼비우스 띠처럼 생겼다면 우주를 한 바퀴 돌았을 때 물질이 반물질이 된다는 얘기도 있다. 근데 이것도 우스갯소리고, 만약 그렇게 된다고 해도 우리는 반물질을 물질이라 하고 물질을 반물질이라 하는 것일 뿐 아무런 문제가 없게 된다.
8. 일상 속에서
현대 과학에 따르면 우리 주변에서 쉴 새 없이 입자가 융합되고 분해된다고 한다. 이를 양자요동이라고 한다. 그렇기에 진공도 에너지는 0이 아니다.[20] 이에 관련된 또 다른 이론으로는 카시미르 효과가 있으며, 1/1000mm 정도 떨어진 2개의 금속 박지가 쌍생성, 쌍소멸로 인한 에너지 발생 효과 때문에 서로 끌려진다는 복잡한 이론이다. 결국, 카시미르 효과가 쌍생성, 쌍소멸이 존재한다는 증거로 확정되어 이론화되었다.[21]다만, 카시미르 효과의 해석법은 반물질 외에도 에너지 밀도차로 인한 것이라는 해석도 있다. 그 내용은 다음과 같다.
공간에는 수많은 에너지준위를 지닌 전자기파동의 에너지가 가득 차 있다.(이는 불확정성 원리에 의해서 증명 가능) 평상시에는 이 모든 파장의 평균값은 0에 한없이 근접하므로 우리에게는 아무 영향이 없는데, 얇은 금속막의 금속면에서는, 그 지점에서 변위가 0이 되는 파장만이 통과할 수 있다.(전자기파 한정이지만 이론적으로는 다른 파장에도 적용 가능) 다만, 평상시에는 금속막의 반대쪽에도 에너지가 차 있으므로 에너지 밀도차가 없지만, 두 개의 금속막을 매우 얇은 간격으로 벌려놓게 될 경우, 두 금속막의 사이는 금속막으로 좌우에서 들어오는 에너지의 흐름이 걸러지기 때문에, 에너지 밀도가 작아서, 그 밀도차로 인해 서로 달라붙는다는 것이다.
STAR 실험팀이 반물질 헬륨-4 원자핵을 찾아냈다. 지금까지 발견된 반물질 중에서는 가장 무거운 것이다. #
2011년에, 지구에서 1만km 상공에(사실상 우주) 반물질 띠가 존재한다는 사실이 밝혀졌다. # 이는 지구 자기장에 의해 고에너지 입자들이 갇혀있는 밴앨런대에 반물질 또한 갇혀있다는 뜻이다 출처. 물론 하잘 것 없이 옅은 농도 때문에 우주선(spaceship) 등에 별 지장은 못 준다. 그런데 엉뚱하게도 아폴로가 실제였으면 우주선도 물질이므로 가다가 소멸해버린다는 식으로 아폴로 계획 음모론에 영향을 주었다.[22]
한 보고서에 따르면 지구 자기장에 갇혀있는 반물질은 수백 나노그램 정도로, 자기장 등으로 수집하면 연간 수 나노그램을 얻을 수 있을 것으로 전망된다. 태양계 내에서는 목성과 토성에서 자연 반물질이 더 많이 생성될 것으로 예측된다(연간 수 마이크로그램 정도). 보고서(4.6MB pdf파일)
의학 쪽 응용이 있다. 심지어 몸 속에서 쌍소멸을 일으키는 것을 활용한다. 소위 양전자방출단층촬영(PET; Positron Emission Tomography)이라고 불리는 기법이 그것이다. 이에 대한 간략한 설명은 다음과 같다. 대상자는 촬영 전 특별한 시약을 섭취하는데, 이 시약은 체내에서 대사가 활발한 지역에 모이는 특성을 지니며 한편 탄소-11이나 불소-18 같은 양전자 방출붕괴를 하는 원소를 포함한다. 사실 체내에서 전자-양전자 쌍소멸로부터 나오는 감마선은 신체 어디에서도 흔하게 방출되는 것이 아니기 때문에 이 감마선을 잡기만 해도 이게 체내 어디서 날아온 것인지 감지할 수 있다. 심지어 이 감마선은 쌍으로 방출되어 거의 정반대 방향으로 날아가기 때문에 신체로부터 온 것과 아닌 것을 구분하기도 쉽다. 위에서 반물질을 너무 폭탄처럼 서술했는데, 실제로도 일어나는 반응 및 방출되는 에너지가 끽해야 자연 방사선보다 훨씬 못한 정도에 지나지 않기 때문에 PET는 매우 안전한 방식이다. 이 기법이 개발되고 나서 의학용 영상기술에 지대한 발전이 일어났다.
9. 반입자 병기
10. 대소멸 엔진
11. 같이 보기
[1]
예를 들어, 쿼크의 경우 색전하가 r, g, b로 표현되는 반면, 반쿼크는 그 반대인 r̅(anti-red), g̅(anti-green), b̅(anti-blue)로 표현된다.
[2]
입자물리학에서 [math(h)]로 표기하며, [math(h = {\bf\vec S} \cdot {\bf\hat p})] ([math({\bf \vec S})]는
스핀 벡터, [math({\bf \hat{p}})]는 운동량 벡터와 같은 방향의
단위벡터)이다. 더 쉬운 말로,
스핀의 방향이 입자의 진행방향에 대해 시계방향인지, 반시계방향인지를 나타낸다. 스핀이 진행방향에 대해 반시계방향이면 [math(h)]는 양수가 되고 오른손잡이라 부르며, 시계방향이면 [math(h)]는 음수가 되고 왼손잡이라고 한다.
[3]
양성자의 반대라고 해서 음성자가 아니다. 음성자는 전자를 뜻한다. 이름에 '양'이 들어가지만 실제로는 음전하를 띤다.
[4]
이렇게 표현한다고 말이 안 되는 것은 아니지만, 양전자라는 명칭이 더 일반적으로 사용된다. 음전자는 electron인데 양전자는 positron으로 부르면 헷갈리기 때문에 양전자를 그냥 규칙대로 antielectron이라고 부르는 경우도 있긴 하다. 예를 들어
CERN에서는 가끔 옛날이야기를 할 때 소개하는 정도를 제외하면 현장에서 antielectron 같은 말을 거의 안 쓴다. arXiv에서도 이를 확인할 수 있는데,
positron이라고 검색하면 2020년 기준으로 수천 편가량의 많은 논문이 나오지만
antielectron이나
"anti-electron"으로 (큰따옴표로 안 싸 주면 anti와 electron이 안 붙은 채 들어가 있더라도 골라주는 문제가 생긴다) 검색하면 다 합쳐 봐야 50편도 안 나온다. 그마저도 anti-electron-neutrino, 즉 전자 중성미자의 반입자를 지칭할 때나 쓰는 걸 빼면 10편도 채 안 된다.
[5]
1위는
오가네손으로, 반물질보다 약 685억 배 더 비싸다.
[6]
위험한 과학책, 또는 What if? 에 나온 질문중, '체르노빌 원자로 폭팔사건때 원자로 중심부에 반물질을 던졌으면 막을수 있을까요?'라는 질문이 있는데, 이에 대한 대답으로 '우리는 체르노빌 원자로 폭발사건 재발 방지에 대한 공로를 인정하며, '
대체 무슨 생각을 한겁니까'상을 수여하는 바입니다.' 라고 했다...지구 포기vs체르노빌 포기
[효율]
핵분열의 약 1,000배.핵융합의 약 140배다.
[8]
질량의 430억 배로 1g의 경우 TNT 43,000톤의 폭발력을 가진다.
[9]
에너지원으로써 따져 보자면 같은 무게의 수소로 핵융합 발전을 하는 것의 282배의 에너지를 낸다. 물론 반물질과 쌍소멸할 물질의 질량도 고려한다면 반으로 줄어든다.
핵융합 발전 문서에서 알 수 있듯이, 이미 지금 지구 상의 모든 에너지원을 대체할 수 있는 핵융합을 아득히 뛰어넘는 셈이다. 수소 핵융합과 비교해둔 자료와 비교한다면, 반물질 1g이면 352만 리터의 석유를 대체할 수 있고, 177g이면 1GW급 발전소를 1년간 운영할 수 있다. 이런 발전소가 60개만 있으면(24시간 가동된다는 가정하에) 한국의 모든 전력소모를 커버한다. 즉, 발전효율이 특별히 낮지 않다는 전제하에, 반물질 11kg으로 한국의 모든 발전소를 대체하는 것.
[10]
반물질 1kg이 물질 1kg과 반응하여 총 2kg의 질량이 쌍소멸하면 이론적으로 43Mt에 육박하는 에너지를 가진다고 한다. 이는
차르 봄바와 거의 동급이다.
[11]
가벼운 수준에서는 저렇게 이해해도 되지만, 정확하게 설명하자면 광자 하나의 질량은 0이기 때문에 광자가 적어도 둘은 나와야 한다고 설명할 수 있다. (다음 각주에서 말하는 각운동량을 통한 설명도 가능하다.) 입자들의 반응에서 이들의 에너지와 운동량으로부터 계산될 수 있는 물리량으로 불변 질량(invariant mass)이 있는데, 이는 에너지와 운동량처럼 반응 후에도 보존되는 값이다. 특히 반응 후에 입자가 딸랑 하나만 남게 되면, 그 입자의 질량은 불변 질량과 같아야 한다. 한편, 전자와 양전자가 (혹은 아무 두 입자가) 충돌하는 반응에서 불변 질량(invariant mass)은 항상 0이 아니다. 이런 상황에서 반응 후에 광자 2개 이상이 만들어지면 아무래도 상관없지만 (질량 0인 입자들만 가지고도 입자 수가 둘 이상이면 불변 질량이 항상 0이 아니라는 것을 알 수 있다) 광자 하나만 남게 되는 것은 광자의 질량이 0이라는 사실과 안 맞게 된다. 따라서 쌍소멸 과정에서 광자 하나만 나오는 것은 불가능하다.
[12]
사실 드물지만 더 많은 광자들이 만들어질 수도 있다. 다만 항상 짝수 개의 광자가 나온다. 홀수 개의 광자가 만들어지는 경우는 각운동량이 안 맞아서 불가능하다. 사실 만약 전자와 양전자의 각운동량과 날아오는 방향이 뭔가 안 맞으면 쌍소멸 없이 그냥 튕겨 나가기만 할 뿐이다. 자세한 내용은 예를 들어 Thomson, Modern Particle Physics (2013)로부터 확인할 수 있다.
[13]
미국 NASA에서는 반물질의 가격을 1g당 610억 달러로 추산하기도 했다.
[14]
원자가 아닌 것까지 고려하면 반헬륨보다 훨씬 무거운 반물질들이 이미 옛날에 발견된 바가 있다. 헬륨보다 약간 무거운 바닥 쿼크(bottom quark)와 그 반입자를 포함한 입실론 중간자(upsilon meson)가 1977년에 페르미랩(Fermilab)의 E288 실험에서 발견되었고 1995년에는 제일 무거운 쿼크인 꼭대기 쿼크(top quark)와 그 반입자의 생성이 페르미랩의 테바트론(Tevatron)에서 발견되었다.
[15]
후술하겠지만 반입자의 쌍소멸을 체내에서 의도적으로 일으켜 의학적 용도로 활용하기도 한다.
[16]
만일 반물질로 이루어진 은하가 발견된다면 반물질을 만들어내는 에너지가 너무 커서 이득을 못 보던 반물질을 이용한 에너지 획득이 용이해지니 현재의 석유에 버금가는 오히려 더 희소성 있는 자원이 될 가능성이 높다. 물론 자원 운운하기 전에 그 은하까지 갔다 올 수 있는지가 매우 큰 문제지만.
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예로 리처드 파인만은 반입자가 과거로 역행하는 입자라고 설명한다. 조금 더 자세히 설명하자면, 반입자는 입자와 CP대칭이고 수학적으로는 CP대칭과 T대칭은 동일하다. 즉 시간에 역행하고 있는 전자(T대칭)와 양전자(CP대칭)는 서로 구별할 수 없다. 여기서 단일 전자 우주론(One-Electron Universe)이 출발한다. Richard P. Feynman, 'QED', princeton university press, 2006.
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그런데 이 쪼개는 방식이 사실 하나만 있는 건 아니다. 입자-반입자를 쪼개는 거 말고도 두 가지나 더 있는데 (그래서 디랙 장은 실질적으로 총 8개의 성분을 가진다) 그 중 하나는 chirality를 분리하고, 나머지 하나는 생성자(creator)와 소멸자(annihilator)를 나눈다. (양의 에너지 파트와 음의 에너지 파트에 해당한다.) 이 생성자와 소멸자는 다분히 양자역학적인 녀석들로 쌍생성과 쌍소멸과 좀 많이 다른 이야기이다. 저 두 현상을 서술하는데 어떤 기능을 하긴 하지만 딱히 저 녀석들 때문에 일어나는 것도 아니고 게다가 이 도구들은 다른 모든 현상들을 (심지어 소멸이고 생성이고 뭐고 없이, 아니 아예 전자-양전자 말고 전자-전자 간의 단순 충돌만 하고 슥 지나가는 현상을 포함해서) 설명할 때에도 쓰이는 범용적 도구 정도의 역할을 한다고 보는 것이 맞다. 다만
양자장론이 대두되기 전 과거에는 이들을 제대로 해석하지 못했으며, 이로 인해
클라인-고든 방정식이 버려졌고 디랙의 바다가 대두된 것이다. 다만 현대에 와선 틀린 해석이지만 이 해석을 가지고 반물질이 예견되었고 실제로 발견까지 된 건 꽤 재밌는 일이다.
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물론, 광학 이성질체도 반물질만큼은 아니지만 위험할 가능성이 높기 때문에 피해야 한다.
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이에 대해서는
불확정성 원리에서 이미 진공의 에너지가 0이 아니라는 것을 알 수 있었다. 쌍생성-쌍소멸 과정으로 인한 것이라고 확인한 것뿐이다.
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조금 극단적으로 해석하면 다음과 같다. 금속 박지 사이의 미세한 틈 내부에서 쌍생성/쌍소멸이 일어나서 전체적으로는 분명 중성적인 전하를 띄고 있겠지만, 매우 짧은 시간 동안 이 공간이 특정 방향으로 편극되는 현상이 일어날 수 있다. 그 편극에 의해서 유도전하가 일어나 서로 반대되는 극성을 띄게 된 박지가 인력을 받아 끌려간다. 라고 해석하기도 한다.
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정지궤도 위성은 없고 실제로는 지하나 해저에 비밀 중계기를 설치하여 대륙 간 통신을 하는 것이며, 기상위성 영상은 슈퍼컴퓨터와 각종 센서로 조작해낸 것이고, 위성지도는 고도의 측량법으로 시뮬레이션해낸 것이라고 하고, 지금까지 올린 모든 정지궤도 위성들은 시민들이 계속 속도록 벌인 쇼라고 주장한다. 하지만 밤에 국제우주정거장 탐색기 같은 앱이 알림을 줄 때 우주를 잘 보면
ISS가 빠른 속도로 지나가는 게 육안으로도 보이며 망원경 같은 걸로 보면 더 자세히 보인다는 사실을 외면하고 있다.