우연한발견에서무한한가능성으로
막스플랑크연구소김기덕박사가들려주는
‘물리학의성배’초전도현상의모든것
“초전도체에대해알고싶다면이한권으로충분하다.”
성균관대물리학과한정훈교수,
유튜브〈안될과학〉‘항성’강성주박사추천!
초전도현상의발견,원리를밝히기위한이론과실험부터
초전도체를둘러싼스캔들,상온초전도체가불러올미래까지
저항없이한권으로이해하는초전도의세계
2023년여름,세계과학계를뜨겁게뒤흔든사건이있었다.국내한민간연구소에서상온상압초전도체'LK-99'를개발했다고주장한것이다.언론은이를앞다투어보도했고,대중은열광했다.곧바로세계유수의대학과연구소에서이를검증하기위한연구가동시다발적으로일어났고,논란이이어졌다.작은소식하나에도초전도체관련주는출렁였다.이전까지과학계외부에서는거의언급되지않던'초전도체'는이제모르는이가없는단어가되었다.초전도체가도대체무엇이길래이렇게파급력이큰걸까?LK-99논란과관련하여KBS〈9층시사국〉,〈이슈PICK쌤과함께〉,유튜브채널〈삼프로TV〉,〈보다BODA〉,〈와이스트릿〉등에출연했던막스플랑크연구소의김기덕박사가초전도체를제대로알리고자책을썼다.초전도현상연구의역사,원리,이를규명하기위한이론과실험,미확인초전도물체(USO)와논문조작등초전도체를둘러싼해프닝과스캔들,‘물리학의성배’이자‘꿈의물질’인초전도체가현재쓰이고있는분야와앞으로불러올환상적인미래까지,초전도체와관련한역사및과학지식을담았다.마치롤러코스터를타는듯짜릿한과학적탐험과함께공중부양처럼경이로운초전도의세계를경험할수있는이책은초전도체가미래사회에미칠잠재적영향을탐구하는데있어중요한기초지식을제공할것이다.관련분야의학생및연구자는물론,미래의과학기술과사회변화에관심있는모든이들을위한책이다.
초전도체란무엇인가?
초전도체의특징과약점세가지
초전도체(superconductor)는이름그대로초월적(super-)능력을지닌전도체(-conductor)이다.전도체라면전기를잘흘리는물질인데,그렇다면초전도체는그저'완벽한전도체'일까?그렇지않다.초전도체는일반적인전도체에서는볼수없는여러가지현상을보인다.그놀라운성질을저자는다음세가지로정리한다.첫째,전기저항이0이다.초전도체에서저항없이흐르는전류를'초전도전류'또는'초전류'라고하는데,초전류를이용하면손실없이전기를보낼수있을뿐아니라강력한전자석도만들수있다.둘째,초전도체내부의자기장을0으로만드는‘마이스너효과’를보인다.이특징은공중부양하는초전도체모습으로널리알려져있지만마이스너효과만으로는초전도체를자석위에띄울수없다.저자는마이스너효과가무엇인지,초전도체가공중에뜰수있는이유는무엇인지쉽고도정확하게설명한다.셋째,‘자기선속양자화현상’과‘조지프슨효과’같은거시적양자현상을보인다.초전류를이루는전자들은양자역학의파동으로기술할수있으며,따라서초전류가만들어내는자기장의세기(자기선속)도양자화되어있다.초전류의양자터널링을뜻하는'조지프슨효과'역시전자나양성자처럼한입자의수준에서일어나는일이아니라'거시적'현상이다.저자는초전도현상을보이는물질이발견되었을때이세가지특징중실험하기어려운셋째특징은생략될수도있지만,앞의두가지특징은반드시확인되어야초전도체로분류할수있다고말한다.초전도체에는물론약점도있다.온도가올라가거나전류나자기장의크기가일정정도이상이면초전도성질을잃어버린다.이런특징들과그에따른초전도체의분류,양자역학의기초적인지식들을저자는수식없이평이한언어로전달한다.차분히읽다보면일반인도무난하게따라갈수있는수준이다.
세상에서가장‘쿨’한탄생부터
개발경쟁으로‘핫’한현재까지
한계를뛰어넘는초전도체의진화
극저온에서만나타나는초전도현상은다양한분야에서무한한가능성을제시하며수많은과학자를끌어들였고,초전도현상이일어나는전이온도를높이기위한과학자들의끈질긴노력과무수한실패,몇몇놀라운발견들이이어졌다.그리고그현재진행형역사는오늘도계속되고있다.이책은세상에서가장차가웠던초전도체탄생의순간부터상온초전도체개발경쟁으로뜨거운현재에이르기까지,한계를뛰어넘는초전도체의과학적탐구여정을안내한다.앞으로새로운발견으로뒤집힐가능성도있지만최근50년사이에초전도현상과관련하여이루어진발견과연구도신중하게소개한다.독자들은최근의초전도체이슈가어떤역사적맥락에서진행되고있는것인지,보다넓고깊은시야에서이해할수있을것이다.초전도연구의역사를간략히소개하면다음과같다.
초전도현상은1911년당시인류가도달할수있는가장낮은온도에서실험을하던중우연히발견되었다.절대영도에도달하기위한과학자들의노력은세상의모든기체를끓는점아래로냉각시켜액화하는방식으로이루어졌다.마지막까지액화되지않고‘영구기체’로남아있던수소와헬륨이각각영국의제임스듀어와네덜란드의카메를링오너스에의해액화되는이야기는두과학자의끈질긴노력과경쟁,아이러니가얽힌한편의드라마다.1908년헬륨액화로당시세상에서가장낮은온도에도달한오너스는1911년,극저온상태의수은에서초전도현상이나타나는것을확인했다.이후수많은초전도물질이발견되었지만그원리를설명하는이론은무려46년이지나서야등장했다.그전까지알베르트아인슈타인,리처드파인먼,닐스보어등유명한‘천재’물리학자들이이문제를풀기위해뛰어들었으나양자역학이충분히발달하지못했던시대적한계로인해모두실패했다.이후새로운세대의물리학자존바딘(Bardeen),리언쿠퍼(Cooper),존로버트슈리퍼(Schrieffer)가초전도이론의조각들을하나씩맞춰나가며1957년,그때까지발견된모든초전도체를설명할수있는‘BCS이론’이탄생했다.
BCS이론탄생이후29년간이론이제시한한계온도를뛰어넘는초전도체는등장하지않았다.하지만스위스의IBM연구소에서일하던알렉스뮐러와게오르크베드노르츠는1986년,당시초전도연구의주류에서금기시했던산화물에서35켈빈(섭씨영하238도)의전이온도를갖는‘고온’초전도체를발견했다.BCS이론은25~30켈빈을초전도현상이나타날수있는한계온도로보았기에그이상의온도에서초전도현상을보인물질군을‘고온’초전도체라고한다.이듬해3월,전이온도90켈빈(섭씨영하183도)이넘는물질이발견되고,곧이어수천명의인파가몰려‘물리학의우드스톡’으로불리는미국물리학회가열리면서고온초전도체는인재와재원이몰리는,그야말로‘뜨거운’연구주제가되었다.고온초전도논문을발표한바로다음해노벨물리학상이수여되었는데,당시노벨상을받기까지논문발표후평균20년이걸렸다는통계를생각해보면고온초전도체를향한관심이얼마나높았는지를알수있다.
2024년현재까지도다양한주장과실험결과들이계속쌓여가고있을뿐,고온초전도체를완벽히설명하는이론은아직등장하지않았다.현재가장높은전이온도를갖는초전도물질은란타넘데카하이드라이드(LaH10)로,170기가파스칼로눌렀을때의초전도전이온도가250켈빈,섭씨영하23도이다.
미확인초전도물체,논문조작...
초전도체를둘러싼해프닝과스캔들
과학은데이터로말한다.그래서대단한과학적발견이라고해도데이터를읽어내는훈련이되지않은사람에게는별감흥이없거나너무어려워서이해할엄두가나지않을수있다.매년발표되는과학관련노벨상의주제들을생각해보라.하지만초전도체는다르다.갑자기0으로떨어지는저항그래프는마치롤러코스터를타는것처럼짜릿하고,자석위에둥둥떠있는초전도체의모습은경이롭기그지없다.전기가저항없이흐른다는개념도어렵지않게이해할수있다.초전도현상의매력과가능성에끌린과학자들이워낙많다보니,초전도분야에는몇몇해프닝과스캔들이있다.경험부족이나실수로다른물리적현상을초전도로착각하거나실험이잘못돼서생긴‘미확인초전도물체’(USO)가그런해프닝이라면,물리학계최대,최악의사건중하나인‘얀헨드릭쇤사건’과같은데이터조작은스캔들이라할수있다.저자는이책에서몇가지해프닝과스캔들을소개하면서과학자의사회적역할,새로운발견이있을때학계에서그것을비판적으로바라보아야하는이유,연구윤리에대한생각들을풀어낸다.2023년여름세계적으로화제가된LK-99에대해서도저자는‘논문조작은아니고미확인초전도물체(USO)가아닐까하는생각이든다’고신중한태도를보인다.
과학은어떻게발전하는가
초전도연구에서볼수있는
과학자의발상법과미래과학기술의풍경
알베르트아인슈타인이나리처드파인먼,로버트오펜하이머,스티븐호킹등대중적으로유명한이론물리학자들때문인지,물리학을흔히이론적인학문으로보는경향이있지만실험물리학자인저자의말대로"물리학은철저하게실험이동반되어야하는학문"이다.초전도현상은전에없던새로운물리현상이었기에실험을통해먼저발견되지않았다면이론적으로예측조차할수없었을것이다.이책을읽으며독자는물리학,특히고체물리학을이론과실험의균형위에서바라볼수있다.더나아가때로는고집스럽고,때로는엉뚱하기도한과학자들의발상법도엿볼수있다.극저온에서측정할수없이낮게나온수은의저항값이정말로0인지,아니면그저당시측정장비의한계보다작은값인지끝까지파고들어엄밀하게밝힌카메를링오너스,복잡하고정신없는금속의세계를전자두개와포논으로단순화시켜‘쿠퍼쌍’을발견한리언쿠퍼,초전도현상을연구하는사람들에게피해야할영역으로여겨지던산화물과부도체를통해전이온도의한계를뛰어넘는발견을한베드노르츠와뮐러.물론110년이넘는초전도의역사에는이런결정적순간,천재적인통찰,끈질긴노력도있지만그보다실패담이더많다.저자는그런실패들까지과학의일부이며,옳은방향으로가는가능성을좁힌것이기때문에가치가있다고말한다.
한편초전도체는이미의학,군사,운송등다양한분야에서실제로사용되고있다.현재는극저온이나고압에서만일어나는현상이기때문에,그런환경을구축하는데드는비용이초전도체를활용했을때얻을수있는이익보다작을때에만사용할뿐이다.앞으로연구가더이루어지면양자컴퓨터,핵융합,전력손실없는초전도송전,전기비행기의모터등초전도체의수요는더늘어날것이다.초전도체가어떻게시작되었고어디까지왔는지,앞으로어디로나아갈수있는지에대한통찰을제공하는이책을통해독자들이초전도체에대한기본적인지식을얻고그무한한가능성을함께꿈꿀수있기를기대한다.
