Ezs 과학문명/물질의 theory

Ezs 오진수 2019. 8. 28. 20:29

반물질이란 보통의 물질을 구성하는 입자에 대해 반대되는 입자로 구성된 물질을 말한다. 즉, 양성자, 전자, 중성자 등이 보통의 물질을 구성하는 입자라면 그와 반대의 전하를 띤 반양성자, 양전자, 반중성자 등으로 구성되는 물질이다.

하지만 우리는 반물질을 볼 수 없다. 우리가 사는 세상은 모두 물질로 구성되어 있기 때문이다. 만약 입자와 반입자가 만나면 상호작용하여 감마선이나 중성미자로 변하므로 존재를 확인하기 어렵다.


모든 물질이 일종의 거울 이미지 같은 반물질을 가지고 있다고 최초로 주장한 물리학자는 영국의 폴 디랙이다. 그는 1928년에 정립한 방정식에 의해 음이 아닌 양의 전자를 지닌 가벼운 입자가 있다고 주장하면서, 우주에는 이처럼 전하가 뒤바뀐 세계가 있을 것이라는 가정을 세웠다.

그런데 그로부터 불과 4년 후 폴 디랙의 주장이 사실임이 밝혀졌다. 전자와 질량은 같지만 양의 전하를 가진 양전자가 발견된 것이다. 더구나 최초의 반물질을 발견한 이는 박사 학위를 받은 지 2년밖에 되지 않은 27세의 젊은 연구원이었다. 1936년 노벨 물리학상 수상자인 칼 데이비드 앤더슨이 바로 그 주인공이다.

1905년 9월 3일 뉴욕에서 스웨덴 이민자의 아들로 태어난 앤더슨은 LA 폴리텍 고등학교를 졸업한 후 전기공학을 공부하기 위해 캘리포니아 공과대학(칼텍)에 입학했다. 그러나 천문학자 I. S. 보웬의 강의를 들은 후 전공을 물리학으로 바꾸게 된다.

수많은 자료 속에서 이상한 사진 발견

그의 초기 연구 분야는 X-선이었다. 1930년에 제출한 그의 박사학위 논문도 X-선에 의해 다양한 가스에서 방출된 광전자의 공간 부포에 관한 것이었다. 그는 대학원에 다닐 때 로버트 밀리컨 교수(1923년 노벨 물리학상 수상자)의 지도를 받았는데, 박사학위를 받은 후 칼텍의 연구원으로 일하면서도 밀리컨과의 관계를 이어갔다.

당시 밀리컨 교수의 관심사는 우주에서 쏟아지는 방사선인 우주선의 특성을 좀 더 자세히 밝히는 것이었다. 이를 위해 밀리컨 교수는 윌슨 구름 상자 등의 대형 실험 장치를 설치한 후 이 연구의 계획과 수행을 앤더슨에게 맡겼다.

앤더슨은 밤낮없이 15초마다 우주선을 관찰한 자료를 축적해 모으기 시작했다. 그렇게 모든 방대한 사진 속에는 음의 전자와 반대로 흰 궤적들도 찍혀 있었다. 조사 결과 그것은 양으로 대전된 입자의 것으로 대부분 무거운 핵입자들의 궤적으로 드러났다.

그런데 그중에서 이상한 사진 하나가 그의 눈길을 사로잡았다. 양전하의 궤적이지만 핵입자의 것이 아닌 궤적이 발견되었던 것. 핵입자의 경우 무거워서 가벼운 전자보다 직선에 가까운 궤적을 그리지만, 그것은 방향만 반대일 뿐 음전하의 전자와 똑같이 휘어져 있었다.

바로 폴 디랙이 예견한 양전자의 궤적이었다. 앤더슨은 반복해서 확인한 끝에 그것이 양전자임을 확신했다. 양전자를 발견한 다음해인 1933년 앤더슨은 S. H. 네더마이어 박사와 함께 감마선이 물질을 통과할 때 양전자를 생성한다는 최초의 직접적인 증거를 얻었다.

우주선에는 전자와 양전자가 거의 동일한 양으로 존재한다. 그러나 양전자는 대기 중으로 들어오는 순간 소멸해 버린다. 앤더슨은 우주선의 에너지 분포 및 물질을 통과할 때 에너지 손실을 연구하는 등 우주선의 특성에 관한 심층적인 연구에서도 중요한 기여를 했다. 이 같은 업적을 인정받아 그는 우주선의 존재를 처음으로 밝혀낸 빅토르 H. 헤스와 공동으로 1936년 노벨 물리학상을 받았다.

반물질을 이용하면 핵폭탄보다 더 위협적인 무기를 만들 수 있다지만 현실적으로는 어렵다. 자연 상태로는 반물질이 존재하지 않기 때문이다. 인위적으로 반물질을 제조할 수 있지만 그 비용이 천문학적인 수준인 데다 물질과 쌍소멸하는 특성으로 인해 보관 및 관리도 매우 까다롭다.

하지만 의학 분야에서 반물질은 매우 유용하게 활용되고 있다. 뇌질환의 진단 등에 주로 사용되는 양전자방출 단층촬영장치(PET)가 바로 그것이다. 우리 체내의 양전자와 전자를 소멸시켜 유용한 3D 이미지를 만들어내는 PET는 인체의 생화학적 변화를 영상화할 수 있어 혈류 및 산소 사용과 같은 중요한 기능을 측정할 수 있다.

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Ezs 과학문명/물질의 theory

Ezs 오진수 2017. 11. 4. 22:30

과학자들은 현미경을 이용해 세포 하나의 크기까지 정확하게 잴 수 있다. 최근에는 전자 현미경을 포함한 더 미세한 관측 장비를 통해 세포 소기관같이 더 작은 구조물의 크기와 형태도 파악할 수 있다.

하지만 세포 하나의 무게를 정확하게 측정하는 일은 매우 어렵다. 세포 하나만 분리하기도 힘들지만, 분리하더라도 세포의 무게를 정확하게 측정할 수 있으려면 1/1,000,000,000,000g(1조분의 1g)의 무게를 측정할 수 있는 저울이 필요하기 때문이다. 따라서 대부분 세포의 무게 추정은 간접적인 방식으로 이뤄졌다.

앞으로는 달라질 것으로 보인다. 취리히에 있는 스위스 연방공과대학을 비롯한 다국적 연구팀이 세포 하나의 무게를 실시간으로 측정할 수 있는 방법을 저널 네이처에 공개했기 때문이다.

연구팀은 우선 한 쪽 끝이 고정된 작은 막대기 위에 사람 세포 하나를 분리해서 올려놓는 연구를 진행했다. 이 과정도 간단하지는 않지만, 더 큰 문제는 세포 하나의 무게를 측정하는 방법이다. 당연히 기존 방식의 저울은 이렇게 작은 무게 변화를 감지할 수 없다.

연구팀은 레이저와 진동을 이용해서 이 문제를 극복했다. 우선 청색광 펄스 레이저를 세포가 놓인 막대에 발사해 막대기를 진동시킨다. 동시에 적외선 파장 레이저를 이용해서 이 진동수를 계산한다. 비록 미세한 차이지만, 빛의 속도로 진동을 측정하기 때문에 세포를 올려놓기 전과 후의 진동 차이를 계산할 수 있다. 그러면 역으로 무게 계산이 가능해지는 것이다.

이 방식의 가장 큰 장점은 세포 자체를 파괴하거나 변형시키지 않고 실시간으로 무게 측정이 가능하다는 것이다. 원한다면 밀리초(millisecond·1/1000초) 단위의 질량 변화를 감지할 수도 있고 반대로 수일에 걸쳐 질량 변화를 추적할 수 있다.

이를 통해서 세포가 바이러스에 감염되는 과정에서 무게 변화나 여러 가지 대사 과정에서 질량 변화를 실시간으로 연구할 수 있게 되었다. 연구팀은 스위스 회사인 Nanosurf AG와 협력해 이 기술을 상용화시키기 위해 노력하고 있다.

역사적으로 과학 기술이 발전함에 따라 과거에는 측정하기 어려웠던 매우 큰 단위나 작은 단위의 측정이 가능해졌다. 그리고 측정 기술의 발전은 다시 관련 과학의 발전을 가져와 전체 과학 발전에 기여했다. 앞서 예를 든 현미경이나 전자 현미경이 미세 관측의 사례라면 천체 망원경이나 전파 망원경은 반대로 엄청나게 큰 물체를 관측하고 측정할 수 있게 도와 과학을 크게 발전시켰다. 앞으로 과학자들이 세포같이 작은 물체의 질량을 실시간으로 측정할 수 있는 장치를 얻게 되면 여러 가지 흥미로운 연구가 가능할 것으로 기대된다.

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