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[바오르]

반물질의 실체와 가공할 위력

영화 천사와 악마는 거대강입자가속기를 통한 입자 충돌 실험을 묘사했다.

영화 천사와 악마에는 비밀결사단체가 반물질(反物質) 폭탄으로 바티칸을 폭파시키려는 장면이 나온다. 또한 스타트랙에는 물질과 반물질의 쌍소멸을 이용한 에너지로 초(超)광속의 속도를 내는 우주전함이 나온다.

반물질이란 보통의 물질을 이루는 원자의 반대되는 반원자로 이루어진 것을 말한다. 그리고 반원자는 원자를 구성하는 입자인 양성자·중성자·전자의 반대되는 입자, 즉 반양성자·반중성자·양전자로 구성된 것을 의미한다. 이론상 반물질이 물질과 만나 쌍소멸하면 엄청난 에너지가 나온다.

하지만 반물질을 만들기 위해서는 천문학적인 비용이 소요되며, 얻어낼 수 있는 양도 극히 적다. 특히 물질과 만나면 곧바로 사라지는 쌍소멸 때문에 보관하기도 여의치 않다. 영화에서 등장하는 반물질의 실체와 가공할 위력, 그리고 그것을 에너지로 이용하는데 따른 어려움 등을 짚어본다.

과학과 종교의 대립을 주제로 한 영화인 천사와 악마(Angels & Demons; 2009)를 보면 반물질 (反物質)이라는 것을 마치 폭탄처럼 이용해 사람들을 위협하는 장면이 나온다. 또한 유명한 공상과학(SF) 시리즈물인 스타트랙(Star Trek)에서는 물질과 반물질의 반응을 이용한 에너지로 초(超) 광속의 속도를 내는 우주전함이 등장한다.

초 광속이란 빛보다 더 빠른 속도를 말한다. 올해 개봉된 몇몇 영화에서도 반물질이 소개되면서 반물질이란 과연 무엇인지, 반물질이 정말 엄청난 위력을 지니고 있는지에 대한 관심이 높아지고 있다. 반물질의 실체, 그리고 반물질을 이용한 에너지 활용이 얼마나 실현성 있는지 알아보는 것도 흥미로울 듯하다.


천사와 악마, 그리고 스타트랙

영화 천사와 악마는 다빈치 코드로 세계적인 명성을 얻은 작가 댄 브라운이 소설로서는 다빈치 코드보다 앞서 쓴 작품을 원작으로 하고 있다. 바티칸과 로마 시내 곳 곳을 배경으로 한 박진감 넘치는 장면과 스토리 전개가 인상적인 영화다.

전체적인 줄거리는 이렇다. 유럽원자핵공동연구소 (CERN)에서 진행한 입자 충돌 실험결과 다량의 반물 질을 얻는데 성공하지만 이 실험에 참여한 과학자 가운데 한 명은 살해당하고, 반물질은 사라지는 사건이 발 생한다.

비슷한 시기에 바티칸의 교황청에서는 새로운 교황을 선출하기 위한 의식을 앞두고 가장 유력한 4명의 후보가 과학자들의 비밀결사 단체인 일루미나티에 납치당해 행방이 묘연해진다.

가톨릭교회와 대립해 온 일루미나티는 4명의 교황 후보를 차례로 살해하고, 유럽원자핵공동연구소에서 훔친 반물질로 바티칸 전체를 폭파시킬 것이라고 위협 한다. 이는 갈릴레이 갈릴레오 등 과거 지동설을 주장해 가톨릭교회의 박해를 받았던 과학자들에 대한 보복 차원으로 그려진다.

하버드 대학의 종교기호학 교수인 로버트 랭던은 바티칸 경찰로부터 이번 사건과 관련된 암호의 해독을 요청 받는다. 이에 따라 그는 유럽원자핵공동연구소의 한 과학자와 함께 여러 가지 단서의 추적에 나서게 된다. 이 영화는 흥미를 위해 역사적 사실과는 다소 거리가 있는 내용을 동원한다.

일루미나티를 마치 가톨릭교 회와 대립해 온 과학자들의 비밀결사단체로 그린 것이 대표적이다. 광명회(光明會)라고도 불리는 일루미나티 는 지난 1776년 예수회 회원 중 한 사람에 의해 결성된 단체로서 실제 존재했다. 하지만 시기적으로 보나 인적 인 측면에서 보나 갈릴레이의 종교재판과는 아무런 관련이 없다. 영화적 흥미를 위한 배경 정도로 보아 넘겨야 할 것이다.

숱한 소설과 영화에 등장하는 성당기사단, 장미십 자회, 프리메이슨 등도 마찬가지. 이들이 마치 권력 뒤에 숨은 그림자 세력으로서 세계를 지배하려드는 것처럼 묘사되는 것은 음모론의 한 맥락이라고 할 수 있다.

다만 신의 입자라고 불리는 힉스 입자에 대한 과학 자와 가톨릭 사제 간의 해석 및 뉘앙스 차이, 과학과 종교의 대립과 갈등, 그리고 화해에 관한 영화의 메시지는 주목해 볼만한 대목으로 보인다. 또한 거대강입자가 속기(LHC)같은 대형 가속기를 통해 입자 충돌 실험을 묘사한 것도 눈여겨 볼만하다.

천사와 악마 외에 반물질이 등장하는 대표적 영화는 스타트랙이다. 스타트랙은 지난 1960년대부터 미국에서 TV 시리즈로 제작, 상영돼 큰 인기를 모았다. 또한 이후에도 영화화 및 재방영, 속편 시리즈가 이어 졌다. 우리나라에서도 TV 시리즈로 상영된 적이 있으며, 올해에는 스타트랙: 더 비기닝(Star Trek: The Beginning)편이 개봉됐다.

스타트랙에는 23세기 우주를 탐사하는 엔터프라이즈호가 등장한다. 이 우주전함은 순간이동장치 등 온갖 첨단기기로 무장돼 있다. 특히 엔터프라이즈호에서 반물질은 매우 중요한 수단으로 사용되는데, 바로 초광속을 낼 수 있는 에너지다.

이는 바로 물질과 반물질의 쌍소멸 반응을 이용한 것. 이 뿐만이 아니다. 반물질 탄두를 탑재한 광자어뢰는 작은 행성 하나를 순식간에 파괴할 수 있을 정도로 가공할 위력을 지닌 것으로 그려진다.


반물질의 실체와 활용 가능성

이들 영화에 나오는 반물질의 실체 및 활용 가능성은 얼마나 사실일까. 일반적으로 반물질 하면 초자연적이거나 신비의 대상으로 생각하기 쉽지만 이미 존재하는 것이 확인된 상태다.

반물질을 처음으로 예견한 물리학자는 코펜하겐 학파의 일원으로 양자역학의 완성에 크게 기여한 영국의 폴 디랙(1902~1984)이다. 그는 지난 1928년 그가 세운 전자 방정식에서 전자의 에너지를 나타내는 양과 음의 해가 함께 존재할 수 있다는 점에 주목, 양전자의 존재를 가정하게 됐다.

그 후 미국의 물리학자 칼 앤더슨( 1905~1991)은 1932년 우주선의 궤적을 촬영하던 중 양전자를 발견하게 됐고, 프랑스의 이렌과 졸리오 퀴리 부부가 인공 방사선 생성 실험을 통해 양전자의 방출을 확인하면서 반 물질의 실체가 알려지게 됐다. 이렌과 졸리오 퀴리 부부는 퀴리 부인의 큰딸과 사위다.

반물질이란 보통의 물질을 이루는 원자와 반대되는 반원자로 이루어진 것을 말한다. 그리고 반원자는 원자를 구성하는 입자인 양성자·중성자·전자의 반대되 는 입자, 즉 반양성자·반중성자·양전자로 구성된 것을 의미한다.

양성자와 질량은 같지만 음의 전하를 지니는 것은 반양성자며, 전자와 질량은 같지만 전하는 반대인 것은 양전자다. 그리고 중성자에 대응하는 반입자로서 전하가 없는 반중성자도 있다.

당초 원자라는 용어는 물질의 궁극적 입자라는 뜻을 가리켰다. 원자의 영어명인 'atom'도 그리스어의 비 분할(非分割)을 의미하는 'atomos' 에서 유래한 것이다. 즉 물질을 쪼개고 또 쪼개는 과정을 반복하면 더 이상 쪼갤 수 없는 입자를 얻게 되는데, 이를 원자라고 부른 것이다.

하지만 전자, 양성자, 중성자 등의 입자가 존재하는 것으로 드러나면서 원자는 더 이상 단일하고 불가분한 입자가 아닌 것으로 밝혀졌다. 그리고 이제는 입자와 반입자가 물질과 반물질을 이루는 궁극의 입자로 연구 되고 있다.

영화 천사와 악마의 첫 장면에 나오는 것처럼 유럽 원자핵공동연구소나 미국 페르미연구소 같은 곳에서 는 거대한 가속기를 통해 반입자를 만들어내고 저장하는 장치가 마련돼 있다.

빛의 속도에 가까울 정도로 빠르게 가속된 고 에너지의 입자들이 충돌할 경우 많은 종류의 입자들이 생성된다. 물론 그 중에는 반양성자, 반중성자, 양전자 같은 반입자들도 있다. 원자를 구성하는 양성자, 중성자, 전자에 대응하는 반입자가 모두 있기 때문에 이들로 구성된 반원자도 존재할 수 있다.

그리고 이들 반원자가 모인 게 바로 반물질이다. 유럽원자핵공동연구소에서는 실제 반양성자와 양전자들로 구성된 수소 반원자를 만든 적이 있다. 제한적이기는 하지만 반물질은 우리의 생활주변에서도 응용되고 있다. 큰 병원에서 뇌질환 진단 등에 쓰이는 양전자 방출 단층촬영장치(PET)가 바로 그것. PET는 반입자의 하나인 양전자를 이용한 것이다.

그렇다면 영화에서처럼 반물질을 이용해 현재의 핵 폭탄을 능가하는 대량살상무기를 만들거나 새로운 에너지로 활용하는 것이 가능할까. 순수하게 이론적인 관점에서만 보면 먼 장래에는 가능할 수 있을지도 모른다. 하지만 현재의 과학기술 수준이나 제반 여건 등을 고려한다면 사실상 불가능에 가깝고, 그럴 필요성도 찾기 어렵다.

반양성자나 양전자 등의 반입자가 입자와 반응하면 감마선과 같이 높은 에너지의 빛(광자)을 내면서 없어진다. 이른바 쌍소멸이라고 불리는 현상이다. 그리고 이 과정에서 결손된 이들의 질량과 생성된 에너지 사이에는 아인슈타인이 밝힌 질량-에너지 등가 공식, 즉 E=mc2의 관계가 적용된다.

따라서 반물질을 대량으로 확보하고 잘 관리할수만 있다면 이론적으로는 현재의 핵폭탄보다 훨씬 위력이 크고 효율이 높은 대량살상무기를 만들 수 있다. 원자폭탄이나 수소폭탄은 핵분열 혹은 핵융합 과정에서 질량 결손에 의한 막대한 에너지를 이용한 것인 만큼 동일한 질량-에너지 등가 공식이 적용되지만 이 경우 질량이 에너지로 전환되는 비율은 일부에 지나지 않는다.

반면 입자와 반입자가 쌍소멸을 통해 에너지로 바뀌 는 비율은 거의 100%라고 볼 수 있기 때문에 동일한 양의 원료라면 반물질을 이용한 핵폭탄이 훨씬 엄청난 파괴력을 발휘할 것이다.

하지만 반물질은 자연 상태로는 거의 존재하지 않아 대량으로 확보하기가 어렵다. 게다가 반물질을 만드는데 드는 비용은 천문학적인 수준이며, 보관과 관리도 대단히 까다롭다. 반물질은 물질과 만나기만 하면 곧바로 반응해 쌍소멸하려고 할 것이기 때문이다.


우주 기원과 본질 알 수 있는 단서

반물질을 보관하는 방법은 토카막 장치와 유사하게 진공상태에서 강력한 자기장으로 반입자들을 띄워 물질과의 반응을 차단하는 것이 일반적이다. 하지만 이것도 전하를 지닌 양전자나 반양성자만 가능하고, 전하가 없는 반중성자는 이런 방식을 쓸 수 없다.

영화 천사와 악마에서처럼 휴대가 가능할 크기의 용기 안에 다량의 반물질을 보관한다는 것은 너무도 꿈같은 이야기다. 그리고 우주 공간에 반물질이 풍부해 쉽게 얻을 수 있다면 미래에는 스타트랙의 엔터프라 이즈호와 같은 반물질 반응 엔진의 우주선을 제작할 수 있을지도 모르겠지만 우주에는 반물질이 그리 많지 않다.

천문학자들은 혹시 우주 어딘가에 반물질로만 이루어진 은하계 등이 있는지 관측하려고 시도했지만 아직까지 증거가 발견된 적은 없다. 사실 현재의 우주에 반물질보다 물질이 압도적으로 많은 것은 수수께끼의 하나다. 태초에 빛, 즉 광자가 있어서 쌍생성을 통해 물질이 만들어졌다면 입자와 같은 양의 반입자도 있어야 할 것이기 때문이다.

반물질은 현대 물리학에서 흥미로운 연구 대상이지만 이를 새로운 무기나 에너지원으로 응용하기에는 요원할 듯하다. 그보다는 우주의 기원과 본질에 대해 보다 잘 알 수 있는 실마리를 제공해 주는 것이 훨씬 가능성 있어 보인다.

글_최성우 한국과학기술인연합 운영위원

 

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