[중앙일보] 초유체와 초고체

기사 입력 2011.08.10 01:45 / 수정 2011.08.10 02:09

[J 스페셜 - 수요지식과학] “돈 안 되는 기초기술이 인류 삶 바꿔”

그 어렵다는 기초과학 왜 합니까
‘노벨상’ 오셔로프 - 김은성 KAIST 교수에게 묻다

더글러스 오셔로프 미 스탠퍼드대 교수(왼쪽)와 김은성 KAIST 교수가 9일 대전 KAIST 회의실에서 대담하고 있다. [프리랜서 김성태]

1996년 노벨 물리학상 수상자 더글러스 오셔로프 교수와 KAIST 물리학과 김은성 교수. 두 사람은 각각 72년 액체 헬륨(오셔로프 교수)과 2004년 고체 헬륨(김 교수)에서 초유체 현상이 나타난다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 오셔로프 교수는 그 공로로 노벨 물리학상을 받았다. 김 교수는 지금 세계 물리학계가 주목하는 신진 연구자가 됐다. 두 사람이 9일 대전 KAIST에서 열리고 있는 아시안 사이언스 캠프(ASC)에서 만나 과학에 대한 얘기를 나눴다.

오셔로프 교수와 김은성 교수의 얘기는 자연스레 그들의 ‘전공’인 초유체로부터 시작됐다. “초유체는 돈도 안 되고 산업화도 어렵다. 그러나 과학자는 돈이 아니라 지식을 좇는 사람이다.” 오셔로프 교수가 꺼낸 이 말에 김은성 교수도 맞장구를 쳤다. 김 교수는 “자연의 원리를 발견하고 새로운 세계를 개척하는 것이야말로 가장 훌륭한 과학이며 과학자의 길이다”고 말했다.

　▶사회=초유체는 어디에 쓰나.

　▶오셔로프=ASC에 참석한 일본 고시바 박사가 어제 강의에서 한 말이 생각난다. 그는 자신이 발견한 중성미자를 어디에 쓰느냐고 질문받을 때 가장 곤혹스럽다고 말했다. 내가 액체 헬륨에서 초유체 현상을 발견했지만 나 역시 누가 그렇게 물으면 할 말이 별로 없다.

　▶김은성=초유체 연구가 요즘 관심을 끌고 있는 초전도체의 기본적인 특성을 파악하는 데 도움이 된다. 초유체가 가지고 있는 성질이 기초과학이나 물리를 공부하는 데 아주 좋은 자료로 사용될 수 있다. 초유체나 중성미자 모두 당장 응용할 곳이 없다고 해도 세계적인 발견이기 때문에 노벨상을 주는 것 아닌가.

　▶사회=응용할 곳도 마땅치 않은 초유체 연구에 왜 매달리나.

　▶김은성=처음 초유체 연구를 시작할 때 어떤 데이터가 무엇을 의미하는지조차 몰랐다. 실험 결과물들이 처음 보는 것들이라 이해도 쉽지 않았다. 그런데 다른 동료들과 대화하고 시간이 어느 정도 흐른 후 내가 발견한 게 중요한 거라는 확신을 갖게 됐다. 기초과학이라는 것이 당장 응용하기 위해 연구하는 것이 아니고, 또 미래에 어떻게 사용한다는 방향을 정해 놓고 하는 것도 아니라는 것을 내 연구 경험에서 배울 수 있었다.

　▶오셔로프=초유체 연구에 수십 년간 매달려 온 것은 학문적인 호기심과 지적 욕구를 충족하기 위해서였다. 절대 돈을 위한 것은 아니었다. 새로운 현상을 발견하는 즐거움은 말로 표현하기 어렵다. 내가 과학자가 된 것은 어린 시절 창고에서 물건을 만지고 조립하면서 느꼈던 즐거움 때문이었다. ASC 첫날 전체 강연에서 한 학생이 돈이 안 되기 때문에 고등학교에 와서 물리를 안 하게 됐다는 얘기를 듣고 충격을 받았다. 돈을 벌려고 한다면 대학에 올 필요가 없다.

　▶사회=한국은 아직 선진국이 아니고 미국·일본 등에 비해 경제 규모도 작다. 이런 나라에서도 기초과학 투자를 해야 하나.

　▶오셔로프=좋은 학술지에 실리는 논문 숫자나 국제학회에서의 발표 건수 등을 고려하면 한국이 연구를 잘하고 있다는 생각이 든다. 그러나 당장 산업화할 수 있는 응용 연구만 해서는 미래가 밝지 않다.

　▶김은성=기초 기술을 개발하지 않고는 선진국의 벽을 뛰어넘을 수 없다. 기초 기술을 개발하면 그 기술에서 응용기술의 싹이 나온다. 수많은 기초 기술이 그랬다. 우주 기술, 생명과학 등 많은 기초 기술이 지금 인류의 삶을 바꿔 놓았다.

　▶사회=한국 정부가 기초과학을 진흥하기 위해 5조원이 넘는 돈을 들여 과학벨트를 건설하고 있다.

　▶오셔로프=과학자들에게 당장 뭔가 성과를 내도록 재촉하지 말고 연구자들이 제대로 연구할 수 있는 분위기를 조성해 줘야 성공한다. 예를 들어 내가 있던 벨연구소의 초창기 연구 환경을 본받을 필요가 있다. 그곳은 연구자에게 압박을 주지 않고 과학적 진보를 위해 재미있게 일할 수 있게 했다. 벨연구소에서 노벨상을 받은 사람이 아주 많다.

　▶사회=지금까지 가르쳤던 동양과 서양 학생들을 비교한다면.

　▶오셔로프=한국인을 포함해 동양 학생의 특징은 시간을 투자해 열심히 한다는 것이다. 그런데 창의성은 서양 학생들이 더 좋았다. 가르쳤던 학생들 중 창의력이 가장 뛰어났던 학생들은 미국 학생들이었다.

　▶김은성=나도 미국 학생들의 창의성이 뛰어나다는 것을 인정한다.

　▶오셔로프= 학생을 가르칠 때 열심히 공부하게 하는 것보다는 창의성을 더 키울 수 있는 환경이 작용하지 않았나 싶다.

사회=박방주 과학전문기자
정리=김한별 기자

◆더글러스 D 오셔로프(66· Douglas D. Osheroff·미국 스탠퍼드대) 교수=액체 헬륨에서 초유체 현상이 나타난다는 사실을 처음 밝혀냈다. 그 공로로 데이비드 리, 로버트 리처드슨 박사와 함께 1996년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 오셔로프 교수는 초유체와 초전도체 필름 재료 분야의 연구를 선도하고 있다. 캘리포니아공대(칼텍)를 졸업하고, 코넬대에서 박사학위를 받았다.

◆김은성(39·KAIST) 교수=미국 펜실베이니아주립대에서 박사과정을 밟을 때인 2004년 고체 헬륨에서 초유체 현상을 처음 발견했다. 고체 헬륨의 내부 일부가 섭씨 영하 273도 가까이 되면 점성이 완전히 사라진다는 사실을 알아냈다. 그의 발견으로 기체와 액체에 이어 고체에서도 초유체 현상이 규명됐다. 이 업적으로 올해 유민문화재단에서 시상하는 ‘홍진기 창조인상’ 과학부문을 수상했다.


‘헬륨 마법’ … 열 흐름 상식 초월한 초유체 분수

초유체 분수

열은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로만 흐른다(열역학 제2법칙). 하지만 초유체에서는 반대처럼 보이는 현상도 나타난다. 사진은 실험용기 바닥에 초유체만 통과할 수 있는 미세한 구멍을 낸 뒤 액체 헬륨에 담근 장면. 용기 가운데 부분에 설치된 히터를 가열하면 헬륨이 용기 안으로 들어와 위로 분수처럼 솟구친다. 상대적으로 차가운 쪽(용기 아래쪽)에서 뜨거운 쪽(가열한 쪽)으로 움직인 것이다. 이는 열을 전달하지 않는 초유체 특성 때문에 나타난 현상으로, 열역학에 위배된 것은 아니다.

초유체 소용돌이

물을 유리컵에 담고 돌리면 소용돌이가 생긴다. 회전 속도를 올리면 소용돌이는 커진다. 하지만 초유체의 경우 소용돌이 크기가 커지는 대신 소용돌이 숫자가 늘어난다. 움직이기를 좋아하는 초유체의 특성 때문이다. 이 같은 초유체성은 액체 헬륨뿐 아니라 같은 성질을 갖는 기체에서도 나타난다. 그림은 나트륨 기체를 냉각시키며 회전시켰을 때 나타나는 현상을 보여 주는 컴퓨터그래픽. 속도가 빨라질수록(위에서부터 시계 방향) 소용돌이(작은 구멍)가 많아지는 것을 확인할 수 있다.

초유체와 초고체

초유체(超流體·superfluidity)는 액체의 끈끈한 성질인 점성(粘性·viscosity)이 사라진 유체를 말한다. 이런 초유체 현상은 지금까지 헬륨에서만 관측됐다. 점성이 없어지면 일반 유체가 통과할 수 없는 극히 가느다란 관도 통과할 수 있다.

　초고체(超固體·supersolid)는 고체 안에서 초유체 현상이 일어나는 상태를 말한다. 그러면 고체 대부분은 그대로이지만 일부 원자는 점성이 없어진다. 그때 고체를 회전시키면 점성이 사라진 부분은 움직이지 않고 나머지는 통을 따라 회전한다.