자유시간

지구 내부에는 매우 뜨거운 마그마가 있으며 화산 활동에도 영향을 미칩니다. 그렇다면 이렇게 뜨거운 마그마는 어떻게 생성되었을까요? 한때 지구의 열이 지구의 압축에 의해 초래되었다고 알려져 왔지만 잘못된 사실입니다.

'지구의 열은 지구의 압축에 의해 초래되었다'고 알려져 왔는데 이 실수는 다음 이론에 기초한 것이었습니다. 가스를 압축하면 열이 발생합니다. 이 에너지가 기체 분자에 축적되면 기체 분자가 더욱 활성화되어 결과적으로 추가 열이 발생합니다. 이 이론을 실연한 실험을 살펴보면 통 안의 공기를 고속 피스톤에 의해 계속 압축하면 열이 발생하여 안쪽면에 불이 붙습니다.

하지만 이 이론으로 맨틀을 녹일 수는 없습니다.
확실히 가스는 압축되어 열을 발합니다. 그러나 지구는 기체로 만들어진 것이 아닙니다. 고체와 액체로 이루어져 있습니다. 그것들은 약간만 압축되고 이 압축은 옛날에 일어났습니다. 그 압축된 중력은 이제 지구에서 더 이상 작동하지 않습니다. 그런데 지구의 대부분의 열은 사실 그 중력에 의해 초래된 것입니다.

지구는 형성되기 전에 소행성이 띠 모양으로 모였습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 소행성은 모여 거대한 덩어리가 되었고 이것이 더 주변의 소행성을 삼켰습니다. 이 과정은 엄청난 것이었고 지구에 끌려 그 일부가 된 소행성 중 하나에서 막대한 에너지가 발산되었습니다. 서로 충돌이나 마찰을 반복함으로써 발해진 에너지가 지구를 녹여 액화시킨 것입니다. 지구는 용암 덩어리가 되었는데 지구를 비롯한 모든 행성이 구상인 이유는 무중력하에서는 액체가 구상이 되기 때문입니다.

놀랍게도 45억 년이 지난 지금도 그때 발생한 열이 남아 있습니다. 물론 한때 액상이었던 지구는 냉각되어 지각이 형성되었지만 그때의 열 대부분은 지금도 남아 있습니다.

이 외에도 지구에 중요한 열원이 2개 존재합니다. 하나는 무거운 물체가 중력에 의해 지구의 중심을 향해 이동할 때 발생하는 막대한 마찰열입니다. 이 움직임은 지금 현재는 멈춘 것처럼 보이지만 지구가 구성된 초기 단계에서는 주요 열원이 되었습니다.

그리고 마지막으로 지금 지구를 가열하는 주요한 열원이 되고 있는 것이 방사성 붕괴입니다. 동위체 중에서도 방사성이라고 불리는 구성의 불안정한 것은 타임 리미트가 있어서 그 시간을 넘으면 붕괴되어 다른 동위체나 원소로 변화합니다. 이 과정에서 방사성 동위체는 에너지를 방출합니다. 열의 대부분은 우라늄, 토륨, 칼륨에서 유래되지만 지구의 열량 중 얼마나 많은 양이 이러한 물질에서 방출되는지는 분명하지 않습니다.

현재 지구의 열의 50퍼센트가 이러한 방사성 붕괴에 의해 초래되고, 나머지가 지구 형성 시에 방출된 에너지의 잔존으로 추정하는 학설이 가장 유력합니다.

40테라와트의 열량이 지구에서 방출되고 있는 반면 방사성 붕괴에 의해 지구에 생성되는 열량은 20~30테라와트이기 때문에 지구는 조금씩 식어가고 있다고 할 수 있습니다. 그러나 지구에 축적된 열은 막대하고 지각이 훌륭한 단열 역할을 하고 있기 때문에 지구의 대부분에는 마그마가 존재하고 지금도 매우 뜨거운 상태를 유지하고 있어서 인류는 때때로 이 열을 이용하여 전력을 만들어내고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- Who Melted the Earth?
https://www.youtube.com/watch?v=8ZYGfJsj1q4

이화학연구소(리켄)는 양자와 그 반물질인 반양성자의 질량전하비(질량/전하)를 각각 측정한 결과 2015년에 측정된 것과 비교하여 약 4배 높은 정밀도인 1조 분의 16으로 일치하고 아인슈타인의 '약한 등가원리'가 3%의 정확도로 성립하고 있음을 밝혔다고 발표했다.

이 성과는 국제 공동 연구팀 'BASE 실험그룹'에 의한 것으로 과학지 Nature에 게재되었다.

소립자물리의 표준이론에서의 미해결 문제 중 하나로, 빅뱅 당시 입자와 반입자가 쌍이 되어 생성되었음에도 불구하고 현재의 우주에는 물질만이 남았고 반물질은 보이지 않는다.

또한 자연계에는 '전자력', '약한 힘', '강한 힘', '중력'이라는 4가지의 힘(상호작용)이 존재하는 것으로 알려져 있지만 표준이론에는 중력이 포함되지 않아 4가지 모두를 통일할 수 없다. 지금까지 물질 간에 작용하는 중력에 대해서는 상세히 연구되어 왔지만 물질과 반물질 간에 작용하는 중력에 대해서는 직접 측정된 예는 없었고 현재 3개의 연구그룹이 반양성자와 양전자로 이루어져 있는 반수소 원자와 지구 중력의 상호작용 측정을 위한 반수소 원자의 자유낙하 실험 준비를 진행하고 있다고 한다.

또한 리켄의 Ulmer 기본적대칭성연구실을 중심으로 한 BASE 실험그룹에서는 사이클로트론을 사용하여 양성자와 반양성자의 특성을 고정밀도로 비교하는 연구를 진행하고 있으며 2015년에는 양성자와 반양성자의 질량 전하비를 1조 분의 69라고 하는 높은 정밀도로 측정하는 데 성공했다(반양성자의 자기 모멘트의 청강 정밀도 측정도 2017년에 성공). 이번 연구는 한층 더 고정밀도로 양성자와 반양성자의 질량 전하비를 구하는 것에 도전하는 것이라고 한다.

측정 정밀도를 올리기 위한 궁리가 더해져 합계 624만 초에 이르는 측정을 실시한 결과 양성자와 반양성자의 질량 전하비가 기존보다 4배 정도 상회하는 1조 분의 16의 정밀도로 일치하는 것이 판명되었다.

또한 양성자의 사이클로트론 주파수 측정에서 보통의 시계가 반양성자의 사이클로트론 주파수 측정으로 반시계를 될 수 있음을 감안하여 계절마다 다른 지구와 태양의 거리에 따라 변화하는 태양으로부터 받는 중력 에너지(태양 중력)가 달라지면 시계의 진행속도도 바뀐다고 일반상대성이론에서는 예측되고 있기 때문에 양성자를 이용한 시계와 반양성자를 이용한 반시계의 움직임을 비교해 약한 등가원리가 성립하고 있는지의 검증도 실시했다. 측정 결과 물질-물질 간 및 반물질-물질 간에 작용하는 중력이 3%의 정밀도로 같다는 것, 즉 약한 등가원리가 3%의 정밀도로 성립하는 것이 나타났다고 한다.

이번 연구성과에 대해 연구그룹에서는 반물질을 포함한 약한 등가원리의 연구에 새로운 연구수단을 제공하는 것이라는 것 외에 '왜 현재의 우주에서 반물질이 사라져 버렸는가'라는 수수께끼의 규명을 향한 한 걸음이 될 것으로 기대된다고 한다.

또한 BASE 실험그룹에서는 양성자와 반양성자를 보다 냉각하는 새로운 기술과 반양성자를 용기에 넣고 전자적인 노이즈가 작은 환경으로 수송하는 기술을 개발 중이며 이것들을 조합함으로써 질량 전하비나 자기 모멘트의 측정 정밀도가 향상될 것으로 기대된다.

또 중력에 대해 이번 연구에서 얻은 3%라는 정밀도는 다른 3개의 연구그룹이 진행하고 있는 반수소 원자를 자유낙하시켜 반물질-물질 간의 중력을 측정하려는 연구가 목표로 하는 정밀도와 같은 정도여서 상보적인 연구라고 할 수 있어서 만약 이번 결과가 반수소 원자의 자유낙하 실험을 진행하고 있는 다른 3개의 연구그룹의 결과와 다르면 완전히 새로운 물리의 개막으로 연결된다고 보고 있다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 陽子と反陽子の質量電荷比は1兆分の16の精度で一致している、理研などが確認
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20220114-2249379/

아인슈타인이 제창한 특수상대성이론에서는 '빛보다 빠르게 움직이는 물질은 없다'고 단언합니다. 과학계 YouTube 채널 Kurzgesagt가 빛의 속도보다 빠른 것으로 간주되는 '그림자'에 대해 설명했습니다.

Something Travels Faster than Light #shorts - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=J8imlz6Lki8

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 아무리 빠른 것이라도 광속을 뛰어넘지 못합니다. 그러나 이 특수상대성이론이 잘못되었다면 어떨까요?

달을 향해 빛을 비추고 그 앞에서 손가락을 세워 그림자를 만들고 좌우로 움직입니다. 만약 사용한 라이트가 매우 강력하다면 달에 손가락의 그림자가 나타날 것입니다. 그리고 손가락을 좌우로 움직이면 전구를 손가락이 가로지르는 것과 같은 속도로 그림자가 달 위를 움직이는 것처럼 보입니다. 따라서 달 위로 이동하는 그림자의 이동속도는 광속을 초과한다고 알려져 있습니다. 하지만 정말 그런 일이 일어날 수 있을까요?

마치 광속을 초과하는 것처럼 보이는 그림자는 실제로 이동하는 물체가 아닙니다. 그림자란 어느 방향을 향해 광속으로 이동하는 광자가 만들어낸 착각에 지나지 않습니다. 아인슈타인이 특수상대성이론으로 제창한 속도 제한은 물질과는 다른 광자가 만들어내는 움직임의 착각에는 적용되지 않습니다.

따라서 '빛보다 빠른 물질은 없다'는 아인슈타인의 주장은 옳다고 여겨집니다.

최근 전동 오토바이나 전동 킥보드가 유행하면서 이러한 드라이버에 의한 사고 다발 등 수많은 문제가 지적되고 있습니다. 영국에서는 전동 자전거나 전동 킥보드를 사용한 범죄가 다발하고 있어서 대응책으로서 영국의 경찰에서는 전동 자전거나 전동 스쿠터, 전동 킥보드등의 엔진을 강제적으로 정지시키는 배낭 단말기의 도입이 검토되고 있습니다.

UK police could get Ghostbusters-style backpack devices to halt ebike getaways | Police | The Guardian
https://www.theguardian.com/uk-news/article/2024/may/13/uk-police-ghostbusters-style-backpack-devices-ebike-getaways

영국 국방부의 국방과학기술연구소와 영국 경찰이 공동으로 개발하는 이 장치는 정지시키고 싶은 차량에 대해 전자기 펄스를 발사하여 모터에 이상 발열하고 있다고 착각시킴으로써 안전시스템을 작동시켜 강제로 차량을 정지시키는 원리입니다.

이 장비는 2024년 초에 개최된 판버러 기술쇼에서 공개되었습니다. 국가 경찰장관 평의회(NPCC)의 개빈 스티븐스 씨는 “큰 배낭과 같은 이 장치는 통상의 내연기관차에도 먹힐 가능성이 있다”고 말했습니다.

영국 경찰은 이미 전파나 전자파를 사용하여 원격조작으로 자동차를 정지시키는 기술을 도입하고 있습니다. 최근 전동 자전거나 전동 킥보드의 보급에 따라 보행자의 스마트폰을 가볍게 낚아채어 골목으로 도망치는 등의 범죄가 다발하고 있습니다. 이 상황에 대해 스티븐스 씨는 “전동 자전거가 거리나 시가지를 고속으로 주행하는 것이 문제가 되고 있다”고 지적했습니다.

이 장치는 NPCC의 주임 과학고문인 폴 테일러 씨의 주도로 개발이 진행되고 있는데 스티븐스 씨는 “현재 이 장치는 개발 중이며 실제로 이용 가능하게 되기까지는 수개월 이상 필요할 수 있다"고 밝혔습니다.

태양광발전은 청정에너지로서도 대처되고 있지만 광대한 토지를 필요하거나 출력이 날씨에 좌우되는 문제가 있습니다. 태양광발전소를 우주에 설치하여 지상에 송전한다는 아이디어는 24시간 안정적으로 발전할 수 있거나 대기에 차단되지 않고 높은 출력을 얻을 수 있어서 해결책으로 거론되지만 왜 실현할 수 없는 것인지를 우주산업의 전문가인 앙리 발데 씨가 설명했습니다.

Space-Based Solar Power: A Skeptic's Take - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/space-based-solar-power-2667878868

발데 씨는 'MATRA Espace'에서 27년간 우주산업의 엔지니어링을 담당했고 2007년부터 2017년까지 유럽우주기관에서 전력시스템, 전자 적합성, 우주환경 부문의 책임자를 맡은 우주산업의 전문가입니다.

'태양이 항상 빛나는 장소에 태양광발전소를 설치한다'는 아이디어는 매우 자연스러운 발상으로, 지금까지 다수의 사람들이 적도 상공 약 3만 6000km의 정지궤도에 태양광발전소를 건설할 계획을 시도해 왔습니다. 우주에 설치하면 춘분과 추분 전후의 기간을 제외하고 24시간 안정적으로 가동 가능하고 지상의 대기에 차단되지 않는 강한 햇빛을 사용할 수 있다는 장점도 있습니다.

중국, 미국, EU 등 다수의 국가와 지역이 우주 태양광발전 연구를 진행하고 있으며 미 해군 연구소는 이미 약 1km 떨어진 2개의 지상 안테나 사이에서 1kw를 넘는 전력을 송전하는 데 성공했습니다. 유럽우주기관은 2022년에 Solaris라는 우주 태양광발전 프로그램을 데뷔시켰으며 10년~20년에 걸쳐 우주 태양광발전을 실현 가능하고 경쟁력 있는 것으로 만들겠다고 밝혔습니다.

이러한 상황에서 우주 태양광발전의 실현은 가까워 보이지만 발데 씨에 따르면 "유럽우주기관의 우주 전력시스템 책임자로서 지금까지 수십 개의 미션의 발전, 에너지 저장, 전기시스템의 설계에 30년 이상 임해 온 경험으로부터 말하면 대답은 거의 확실히 부정적"이라고 보았습니다.

정지궤도에서 보내는 전력을 경쟁력 있는 가격으로 생성하려면 우주 태양광발전소는 국제우주정거장의 수백 배, 가장 높은 초고층 건물보다 거대한 장비가 필요합니다. 자재의 운반에 더해 엔지니어링과 조립에 관한 문제도 설비의 스케일에 비례하여 거대해집니다.

미국과 EU의 우주기관은 다음과 같이 여러 우주 태양광발전소안에 대한 상세한 기술분석을 발표했습니다.

◆SPS-ALPHA Mark-III
전 NASA의 물리학자인 존 C. 맨킨스 씨의 방안으로, 박막 반사판이 태양을 추적해 한쪽에 태양광발전 패널이 붙어 있는 에너지 변환 어레이에 빛을 반사시키는 구조입니다. 어레이의 다른 쪽에는 마이크로파 안테나 외에 배전이나 제어용 전자기기가 배치되어 있습니다.

◆MR-SPS
중국우주기술원의 안으로 폭 200m, 길이 600m의 태양광발전 패널이 50개 접속되어 있고 회전하는 고출력 조인트와 수직 트러스를 사이로 12만 8000개의 안테나 모듈에 연결되어 있습니다.

◆CASSIOPeiA
Space Solar Group Holdings 치프 아키텍트인 이안 캐시 씨의 안으로 원형 박막 반사판이 태양을 추적하여 집광기와 전력 변환 전자기기 등이 설치된 나선형 어레이로 빛을 반사시킵니다. 스테이션은 지구에 대해 회전하고 있으며 전방향성 안테나를 동기화하여 전력을 전송합니다.

◆SPS
Thales Alenia Space의 안으로 폭 10m, 길이 80m의 태양전지 어레이가 8000개 접속되어 있어서 항상 태양의 방향을 향하도록 제어됩니다. 중앙 송신기가 회전하여 지상 안테나로 지속적으로 전력을 전송합니다.

NASA의 보고서에 따르면 어느 방안이라도 당초 지상에서 전력을 생성하는 경우와 비교하여 12배~80배의 비용이 들고 발전소 건설까지 2750억 달러(약 430조 원)의 설비투자가 필요하다는 것. 게다가 영국의 컨설턴트 기업에 의한 유럽우주기관에 대한 보고서에 따르면 기가와트 규모의 마이크로파빔 전송과 우주에서 수 킬로미터 수준의 고강성 구조물 구축 등 발전소 건설에 필요한 13개의 중요한 요소 중 10개는 기술적 난이도가 '높음' 또는 '매우 높음'으로 순위가 매겨졌습니다.

발데 씨는 “우주 태양광발전소의 비용과 기술적 난이도가 높아지는 것은 물리학적으로 필연적인 일”이라며 우주에 설치하는 발전소에서 지상의 같은 지점에 지속적으로 접속하기 위해서는 고도 약 36km라는 정지궤도에 발전소를 건설할 필요가 있으며 설비가 거대해 발사 비용은 매우 높아집니다.

또한 모든 날씨에 방해받지 않고 지상의 무선시스템을 방해하지 않으며 전력을 전송하려면 Wi-Fi에서 사용되는 범위 내에서 2.45Ghz 또는 5.8Ghz 마이크로파를 사용해야 합니다. 회절에 의해 마이크로파빔은 진행 중에 주파수에 따른 양으로 퍼지므로 5.8Ghz의 마이크로파빔을 정지궤도에서 지상국으로 송신하려면 송신기의 직경이 적어도 750m 필요하고 수신국은 34평방 km 이상의 타원형이 된다는 것.

우주 태양광발전의 송신기는 대형으로 고가이기 때문에 우주 태양광발전소는 가능한 한 출력을 크게 하고 싶을 것이며, 전력회사가 대응할 수 있는 최대 규모인 1GW~2GW의 방안을 NASA나 유럽우주기관, 중국, 일본은 함께 평가하고 있습니다. 그러나 대규모 화력발전소와 원자력발전소를 하나 대체하려면 거대하고 고가의 우주태양광발전소가 2~3개 필요합니다.

에너지는 태양광에서 직류전력으로 변환된 후 마이크로파로 변환되어 송신되고 수신국에서 직류전력으로 되돌아가 송전망으로 송전하기 위해 교류전류로 변환됩니다. 변환의 각 단계에서 에너지 손실이 발생하기 때문에 필드 시험에서 실제로 검증된 에너지 효율인 11%라는 숫자를 사용하면 1GW의 전력을 지상에 전송하려면 우주 태양광발전소에서 9GW의 전력을 수집·변환해야 합니다. 9GW의 전력을 처리할 수 있는 우주용의 스위치, 릴레이, 변압기는 설계도 실증도 되어 있지 않습니다.

또한 송신기는 위상배열이라고 불리는 수백만 개의 작은 안테나 집합체를 동기화하여 특정 방향으로 송전하는 메커니즘이 사용되고 있지만 위상배열을 작동시키기 위해서는 송신기의 모든 안테나는 위상을 완벽하게 동기화해야 합니다. 1km 가까이 떨어져 있는 송신기의 끝과 끝끼리를 피코초 단위로 동기시키는 구조도 개발할 필요가 있다는 것.

발데 씨는 무진장의 전력을 얻기 위해 심우주로 눈을 돌린다는 아이디어를 "아름다운 아이디어”라고 칭하면서 '정말 신뢰할 수 있는 말은 장식되어 있지 않고, 장식된 말은 신뢰할 수 없다'는 노자의 말을 인용해 설명을 마무리했습니다.

빛과 다른 형태의 전자기 방사선의 반사는 빛의 파동이 표면이나 경계에 부딪치고 방사선의 에너지가 흡수하지 않은 채 튀는 현상입니다.

가시광 반사의 가장 간단한 예는 웅덩이의 부드러운 수면입니다. 입사광이 규칙적으로 반사되어 웅덩이 주위의 경치를 선명하게 비추어냅니다. 물에 돌을 던지면 물이 흐트러져 파도가 생기고 반사 광선을 모든 방향으로 산란시켜 반사를 방해합니다.

빛의 반사에 관한 가장 오래된 설명은 고대 그리스 수학자 유클리드가 했습니다. 그는 기원전 300년 전후에 일련의 실험을 했고 빛의 반사작용을 깊이 이해하고 있었다고 생각됩니다. 약 1500년 후 아랍 과학자 Alhazen은 광선이 매끄러운 면에 닿아 공중에 튀는 작용을 정확하게 나타내는 법칙을 발표했습니다.

입사하는 빛의 파동은 입사파, 면에서 튀는 파동은 반사파라고 합니다. 어떤 각도로 거울 표면을 향하는 가시 백색광(입사)은 입사각과 동일한 각도로 거울 표면에서 공중으로 튀어나옵니다(반사). 이것은 부드럽고 평평한 거울에 손전등의 광선이 닿는 작용과 같습니다. 따라서 가시광선 및 기타 모든 전자기 방사선 스펙트럼 파장에서 입사각은 반사각과 동일합니다. 이 개념은 일반적으로 반사의 법칙이라고 합니다. 중요한 것은 빛이 그 구성 색으로 분리되지 않는다는 것입니다. 굴절이 없이 모든 파장이 동일한 각도로 반사되기 때문입니다. 반사광에 최적인 면은 거울이나 금속 등 매우 매끄러운 것이지만 거의 모든 것의 표면은 어느 정도의 빛을 반사합니다.

빛의 파동이 부드럽고 평평한 표면에 입사하면 도달했을 때와 같은 각도로 표면에서 반사됩니다. 아래의 링크에서 가시 정현파 광의 파동에서 입사각과 반사각의 관계를 확인할 수 있습니다.
https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/java/reflection/reflectionangles/

빛은 파동과 입자로 구성되는 것처럼 느껴지기 때문에 빛의 반사에 대해 여러 개의 개별 이론이 탄생했습니다. 웨이브 기반 이론에 따르면 빛의 웨이브는 광원에서 모든 방향으로 퍼지고 거울에 닿으면 빛이 도달한 각도에 따라 각도로 반사됩니다. 반사 과정에서 모든 파동이 거꾸로 반전됩니다. 그 때문에 반전한 상을 볼 수 있습니다. 빛의 파동의 모양은 광원의 크기와 파동이 거울에 도달할 때까지의 거리에 의해 결정됩니다. 거울 근처에서 나오는 파면은 크게 만곡되는 반면, 멀리 있는 광원에서 나온 파면은 거의 직선이 됩니다. 이것은 반사각에 영향을 미칩니다.

파동설과는 몇 가지 중요한 부분에서 다른 입자설에 의하면 빛은 작은 입자(광자)의 흐름으로 거울에 도달해 면에 충돌하면 튀어나옵니다. 입자는 매우 작기 때문에 서로 매우 가까이(대부분 붙어) 이동하고 다른 장소에서 반사됩니다. 이 반사과정은 순서를 반전시켜 거울 이미지를 생성합니다. 빛이 입자인지 파동으로 작용하는지에 관계없이 반사의 결과는 동일합니다. 반사된 빛은 거울 이미지를 만듭니다.

물체에서 반사되는 빛의 양과 반사하는 방법은 표면의 매끄러움과 질감에 따라 크게 다릅니다. 표면 불완전성이 입사광의 파장보다 작은 경우(거울 등) 거의 모든 빛이 똑같이 반사됩니다. 그러나 현실 세계의 대부분의 물체는 난반사를 일으키는 복잡한 표면을 가지고 입사광이 모든 방향으로 반사합니다. 평소 아무렇지도 않게 보는 많은 것(사람, 차, 집, 동물, 나무 등)은 그 자체가 가시광을 발하는 것이 아니라 입사하는 자연광이나 인공광을 반사하고 있습니다. 예를 들어 사과가 붉게 윤기 있는 것은 상대적으로 매끄러운 표면이 붉은 빛을 반사하고 붉은 색 이외의 녹색, 파란색, 황색 등의 빛의 파장을 흡수하기 때문입니다.

빛의 반사는 크게 두 종류가 있습니다. 거울반사는 일정한 각도로 매끄러운 면에서 반사된 빛인 반면, 난반사는 거친 면에서 발생하는 모든 방향으로 반사하는 빛입니다. 평상시의 환경에서는 거울반사보다 난반사 쪽이 훨씬 많이 볼 수 있습니다.

거울반사와 난반사의 차이를 시각화하기 위해 매끄러운 거울과 거칠고 붉은 면이라는 크게 다른 2개의 면을 생각해 봅시다. 거울은 백색광의 모든 구성색(적색, 녹색, 청색 등의 파장)을 거의 동일하게 반사하고 반사광은 입사광과 동일한 각도의 궤도를 진행합니다. 그러나 거칠고 붉은 표면은 모든 파장을 반사하는 것은 아닙니다. 파란색과 녹색의 구성 색을 거의 흡수하고 붉은 빛을 반사하기 때문입니다. 또한 거친 면에서 반사된 산광은 모든 방향으로 산란합니다.

일상적으로 보는 반사의 예로서 아마도 가장 알기 쉬운 것은 하루에 몇 번이나 자신의 모습을 보기 위해서 사용하는 가정용 거울에 비치는 모습입니다. 거울이 가진 매끈한 유리 표면은 보는 사람의 허상을 눈에 직접 반사합니다. 이 작용이 가장 쉽게 보이는 경우는 보는 사람의 한쪽에 물체를 놓고 그 물체로부터의 반사광이 거울에 닿도록 관찰하는 경우입니다.

거울에서 보이는 반사의 종류는 거울의 모양에 따라 다르며 어떤 경우에는 반사되는 물체의 위치에 따라 달라집니다. 거울은 평평하지는 않지만 흥미롭고 유용한 성질의 반사를 일으키는 다양한 구성으로 만들 수 있습니다. 대형 광학망원경에서 자주 볼 수 있는 오목거울은 별에서 나온 희미한 빛을 모으는 데 사용됩니다. 곡면에서 매우 멀리서 온 평행광선을 한 지점에 모아 강도를 강화합니다. 이 디자인은 면도 및 화장용 거울에서도 흔히 볼 수 있으며 반사광이 얼굴 확대 이미지를 만듭니다. 광택 있는 숟가락의 안쪽은 오목한 거울 표면의 본질을 보여주는 좋은 예로 이런 종류의 거울을 설명하는 데 자주 사용됩니다. 숟가락 안쪽을 눈에 가까이하면 눈이 확대된 정립상을 볼 수 있습니다. 이 경우 눈은 거울의 초점보다 가깝습니다. 스푼을 멀리 움직이면 얼굴 전체를 축소한 도립상을 볼 수 있습니다. 이미지가 반전되는 이유는 반사광이 거울의 초점을 통과한 후에 이미지가 생성되기 때문입니다.

곡면을 가진 다른 일반적인 거울은 자동차의 백미러에 자주 사용됩니다. 거울 외부의 곡면이 차 뒤에서 일어나고 있는 것을 작은 파노라마 뷰에 비추어 줍니다. 평행광선이 볼록거울에 닿으면 광파가 바깥쪽으로 반사되어 분산됩니다. 뇌가 광선을 추적하면 광선이 모이는 거울 뒤에서 나타나고 작은 정립상이 비추어집니다 (이 상이 정립적인 것은 광선이 초점을 통과하기 전에 허상이 만들어지기 때문입니다). 볼록거울은 안전을 위해 복도 및 기업 내에 설치된 광각거울에도 사용됩니다. 곡면거울의 가장 흥미로운 용도로 사용되는데, 이러한 거울은 오목면과 볼록면이 혼재한 형태로 제작이 되어 있거나 표면의 곡률이 완만하게 변화하고 있는 것이 많아 사람들이 자신을 비추었을 때 이상하게 왜곡된 반사가 만들어집니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 光の反射の概論
https://www.olympus-lifescience.com/ja/microscope-resource/primer/lightandcolor/reflectionintro/

Swiss army knife의 제조사인 빅토리녹스는 칼을 사용한 폭력범죄의 증가에 '칼을 탑재하지 않은 Swiss army knife'를 개발했다고 밝혔습니다.

Swiss army knife maker to produce range without a blade | Knife crime | The Guardian
https://www.theguardian.com/uk-news/article/2024/may/07/swiss-army-knife-maker-to-produce-version-without-a-blade

The Swiss Army multitool edges toward a knife-less future
https://newatlas.com/good-thinking/swiss-army-knife-bladeless/

Swiss army knife는 1891년 스위스에서 탄생한 접이식 칼입니다. 당초는 'Offiziersmesser(장교용 나이프)'라고 불렸지만 스위스군에 정식으로 공급되면서 Swiss army knife라고 불리게 되었습니다.

빅토리녹스는 매년 1000만 개 이상의 Swiss army knife를 생산하는 전통 제조업체입니다. 빅토리녹스의 Swiss army knife는 나이프 외에 마개나 코르크 빼기, 가위, 털 뽑기, 확대경이나 톱, 플러스 드라이버, USB 메모리 등 다양한 도구를 탑재한 다기능 멀티 도구입니다.

지금까지 생산된 대부분의 멀티 도구에는 반드시 칼이 탑재되어 있었습니다. 그러나 빅토리녹스가 새롭게 개발한 멀티 도구에는 1884년 창업 이래 처음으로 칼이 탑재되지 않는다는 것.

영국의 일간지인 The Guardian에 의하면 나이프가 제거된 멀티 도구가 개발된 배경에는 나이프의 규제 강화가 있다고 합니다. 빅토리녹스의 칼 엘즈너 CEO는 “일부 시장에서는 칼이 붙어 있어서 멀티 도구가 무기라는 인상을 갖는다”며 칼이 없는 버전의 멀티 도구는 사이클리스트나 골퍼를 대상으로 한 제품이라고 합니다.

빅토리녹스는 지금까지 칼 휴대에 대한 규제 강화에 대한 대응에 고심해 왔습니다. 특히 2001년의 세계 동시 다발 테러에 의해 비행기 내에서의 칼의 반입이 엄격하게 규제되면서 매출이 30% 감소했다고 합니다.

엘즈너 CEO는 “세계적 폭력 증가로 인해 칼에 대한 규제가 강화될 우려가 있다”고 보았습니다.

현재 우리는 이 세상의 모든 것이 원자로 이루어져 있고 원자에는 여러 종류가 있다는 것을 알고 있습니다. 화학적 성질을 바탕으로 종류를 분류하면 천연에는 90종류 정도의 원자가 있으며 이 종류를 원소라고 부릅니다. 예를 들면 가장 가벼운 원소는 수소로, 그 다음으로 무거운 것은 헬륨입니다.

원자는 더 이상 분할할 수 없습니다. 원자는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어져 있습니다. 전자의 수는 원소에 의해 정해져 있고 수소가 1개, 헬륨이 2개, 우라늄은 92개가 됩니다.

원자핵에는 양성자와 중성자가 들어차 있습니다. 양성자의 수는 원자핵 주위를 돌고 있는 전자의 수와 동일합니다. 양성자는 양전하를 갖고 1개의 양성자가 가지고 있는 전하는 1개의 전자가 가지고 있는 음전하와 정확히 같기 때문에 원자는 전체적으로는 양음의 전하가 균형을 이룬 상태로 되어 있습니다.
　
중성자는 크기와 무게는 양성자와 거의 동일하지만 전하가 없는 입자입니다. 여기서 수소를 예로 들어 보겠습니다. 수소의 원자핵을 조사해 보면 대부분의 수소는 양성자가 1개만 들어 있습니다. 그러나 잘 조사하면 때때로 양성자 외에 중성자가 1개 들어 있는 원자핵도 발견됩니다. 즉 같은 수소에서도 원자핵으로 보면 두 가지 종류가 있습니다.

실은 원자핵에는 방사능을 가지고 있는 원자핵과 가지고 있지 않은 원자핵이 있습니다. 양성자는 양의 전하를 가지고 있기 때문에 좁은 원자핵 속에 꽉 채워져 있으면 양성자끼리의 전기적인 반발력이 커져 원자핵이 불안정해집니다. 거기에 전하를 갖지 않는 중성자가 들어가면 안정성이 증가한다고 생각할 수 있습니다. 또한 양성자의 수가 같고 중성자의 수가 다른 동료를 동위원소라고 부릅니다. 가장 동위원소의 수가 많은 원소는 양성자의 수가 50인 주석으로 10종류가 있습니다.

양성자와 중성자의 수에 대해서는 또 다른 흥미로운 것이 있습니다. 양성자·중성자 양쪽이 짝수의 원자핵에서는 동위원소의 수가 많습니다. 이에 비해 홀수개의 양성자·중성자를 포함한 원자핵은 동위원소가 적습니다. 둘 다 홀수의 원자핵은 중성자수 0의 수소도 넣어 5개밖에 없습니다.
　
옛날부터 짝수는 나눠지는 수로서 미움받아 왔는데, 원자핵 속의 양성자와 중성자의 수로는 짝수가 많은 것으로 보아 자연은 짝수를 선호한다고 해석할 수 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 陽子と中性子
https://www.ies.or.jp/publicity_j/mini_hyakka/62/mini62.html

매사추세츠 공과대학(MIT)을 중심으로 한 연구팀이 천을 스피커로 하는 기술을 응용해 머리카락 정도의 얇은 천으로 조용한 공간을 만들어내는 천을 개발했다고 발표했습니다.

Single Layer Silk and Cotton Woven Fabrics for Acoustic Emission and Active Sound Suppression - Yang - Advanced Materials - Wiley Online Library
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202313328

This sound-suppressing silk can create quiet | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1043849

MIT가 개발한 조용한 공간을 만들어내는 '방음 실크'는 두 가지 방법으로 소음을 억제합니다. 첫 번째는 소리에 반응하여 음파를 발생시키고 소음을 상쇄하는 노이즈 캔슬링 기능입니다.

천에 노이즈 캔슬링 기능을 갖게 하는 기술은 천을 마이크로폰으로 하는 기술의 응용입니다. 직물 마이크를 만들기에 있어서 선행 연구에서는 진동을 받으면 전기신호를 발하는 압전섬유를 천에 꿰매었습니다.

한편 이번 방음 실크는 반대로 압전섬유에 전기신호를 흘려 소리를 발생시킵니다. 연구팀은 실제로 방음 실크를 원형 프레임에 붙여 스피커처럼 바흐의 곡을 연주할 수도 있었다고 합니다.

이 천으로부터 소음의 역위상인 음파를 내어 소리를 상쇄하는 식으로 노이즈 캔슬링을 할 수 있는 방음 실크가 실현되었습니다.

MIT의 그레이스 양 씨는 “천을 사용하여 소리를 낼 수는 있었지만, 우리가 사는 세계에 이미 많은 소음이 있습니다. 그래서 소리를 내는 것보다 정적을 만드는 것이 더 가치 있는 것이라고 생각했습니다"라고 말했습니다.

그러나 이 소음 제거는 헤드폰과 귀 사이의 공간과 같은 좁은 범위에서는 효과적이지만 넓은 방 안과 같은 큰 공간에서는 작동하지 않습니다.

그래서 연구팀은 방음 실크에 두 번째 기능을 부여했습니다. 섬유의 진동을 제어하고 직물을 강제로 정지시켜 소리가 직물을 통과하는 것을 막는 기술입니다.

예를 들어 아파트 이웃이 한밤중에 시끄러운 경우 소리가 울리는 이유는 소음이 벽을 진동시켜 방에 소리를 내기 때문입니다.

연구팀이 직물을 정지시킨 결과 방음 실크는 소리를 반사하는 거울처럼 기능하여 소리가 천을 통해 이쪽으로 전해지는 것을 막을 수 있었습니다. 이 차음 효과는 방 안 등 넓은 공간에서도 유효합니다.

실제로 노이즈 캔슬링 기능을 가지는 '직접 억제 모드(아래 그림의 왼쪽 아래)'를 테스트한 결과 사람이 큰 소리로 대화하고 있는 것과 같은 음량인 65데시벨까지의 소리를 저감할 수 있었습니다. 또한 천의 진동을 억제하는 '진동을 통한 억제 모드(오른쪽 아래)'에서는 소리의 전달을 최대 75% 억제할 수 있었습니다.

연구팀은 향후 복수의 주파수를 차단할 수 있는 직물을 연구하거나 압전섬유의 개수나 봉제방법, 인가전압을 변경하여 한층 더 성능을 향상할 예정이라고 합니다.

양 씨는 “이 방음직물을 정말 효과적인 것으로 만들기 위해 조절할 수 있는 항목이 많습니다. 이 연구는 이제 막 시작되었습니다”라고 말했습니다.

스마트폰이나 전기자동차를 비롯한 많은 현행 제품에 사용되고 있는 리튬이온 배터리에는 환경 파괴나 자원의 고갈 등의 문제가 있습니다. 리튬보다 훨씬 풍부하게 존재하는 나트륨을 사용해 리튬이온 배터리보다 고속으로 충전할 수 있는 나트륨이온 배터리의 상업생산에 착수했다고 미국의 스타트업 Natron Energy가 발표했습니다.

Natron Energy Achieves First-Ever Commercial-Scale Production of Sodium-Ion Batteries in the U.S. | Business Wire
https://www.businesswire.com/news/home/20240428240613/en/Natron-Energy-Achieves-First-Ever-Commercial-Scale-Production-of-Sodium-Ion-Batteries-in-the-U.S./

Lithium-free sodium batteries exit the lab and enter US production
https://newatlas.com/energy/natron-sodium-ion-battery-production-startt/

2013년 설립된 나트륨이온 기술벤처인 Natron Energy는 2024년 4월 29일 미시건주 홀랜드 소재 제조시설에서 나트륨이온 배터리 생산을 시작했다고 발표했습니다.

Natron Energy가 나트륨이온 배터리의 생산을 발표한 것은 2022년으로 2023년에 예정되어 있던 조업개시는 뒤로 미루어졌지만 미국에서 나트륨이온 배터리의 상업 규모의 생산이 시작된 것은 이것이 사상 최초라고 합니다.

나트륨이온 배터리의 가장 큰 장점 중 하나는 재료를 쉽게 얻을 수 있다는 것입니다. Natron Energy에 의하면 동사의 나트륨이온 배터리는 나트륨 외에 알루미늄이나 철, 망간 등 풍부하게 입수 가능한 소재만으로 제조되고 있다고 합니다.

친근한 미네랄인 나트륨은 지구상에 리튬의 500~1000배나 풍부하게 존재하고 환경을 해치는 방법으로 채굴할 필요도 없습니다. 또 생산지가 한정되는 리튬이나 코발트, 니켈 등의 배터리 원료와는 달리 나트륨이온 배터리의 소재는 안정적 공급이 가능하고 지정학적 리스크에도 적다고 합니다.

Natron Energy의 공동 CEO인 콜린 웨셀스는 “미국 최초의 상업용 나트륨이온 배터리 제조시설의 조업을 발표할 수 있어서 기쁘게 생각한다"며 "나트륨이온 배터리는 고출력, 고속 충전, 긴 수명, 완전 안전하고 안정한 화학적 특성을 갖춘, 리튬이온 배터리를 대체하는 유일무이의 배터리”라고 소개했습니다.

발표에 의하면 Natron Energy의 배터리는 리튬이온 배터리의 10배의 속도로 충방전되고 즉각적인 충전도 가능하기 때문에 짧은 사이클로 충전과 방전을 반복하는 백업용 배터리에 적합하다고 합니다. 또한 50,000 사이클의 예상 수명도 이 용도에 적합합니다.

한편 2022년의 기사에서는 Natron Energy의 배터리의 에너지 밀도는 70Wh/kg라고 알렸는데 모바일 용도로 사용하려면 2배 이상이 필요하기 때문에 당분간은 거치식만 생산될 계획입니다. 2021년에 160Wh/kg의 나트륨이온 배터리를 발표했고 전기자동차용으로 200Wh/kg의 에너지 밀도의 실현도 목표로 하는 중국의 배터리 메이커인 CATL 등 경쟁사도 잇달아 이 분야에 참가하고 있습니다.

이번 미시간주에 개설된 제조시설에서는 풀가동으로 연간 600메가와트의 나트륨이온 배터리가 생산될 계획으로 AI의 폭발적인 발전을 지원하는 에너지 저장 요구에 부응하는 축전지로써 2024년 6월 데이터 센터용 나트륨이온 배터리가 출하될 전망입니다.

Natron Energy는 향후 다른 산업용 전력시장에도 주력하고 있으며 EV의 급속충전 및 통신사업을 향후 목표로 삼고 있습니다.

오스트리아의 비엔나 공과대학 연구팀은 토륨의 원자핵을 레이저로 여기시키는 데 세계 최초로 성공했다고 보고했습니다. 이에 따라 연구원은 기존 원자시계의 정확도를 뛰어넘는 원자핵시계 등 다양한 혁신적 기술에 대한 길을 열 수 있다고 전망했습니다.

Phys. Rev. Lett. 132, 182501 (2024) - Laser Excitation of the Th-229 Nucleus
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.182501

Atomic Nucleus Excited with Laser: A Breakthrough after Decades | TU Wien
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/lange-erhoffter-durchbruch-erstmals-atomkern-mit-laser-angeregt

오늘날 레이저를 사용하여 원자와 분자를 조작하는 것은 일반적이며, 레이저의 파장을 정확하게 선택하면 원자와 분자를 다른 상태로 전이시킬 수 있습니다. 이를 통해 원자나 분자의 에너지를 고정밀도로 측정할 수 있어서 원자시계나 화학분석법 등에 이 기술이 이용되고 있다고 합니다.

그러나 오랫동안 레이저에 의한 여기를 전자와 함께 원자를 구성하는 원자핵에 적용할 수 없다고 생각되고 있었다고 합니다. 비엔나 공과대학의 토르스텐 슈무 교수는 “원자핵도 다른 양자상태로 전환할 수 있지만 원자핵을 한 상태에서 다른 상태로 변화시키려면 일반적으로 원자나 분자의 1000배 이상 에너지가 필요합니다. 이것이 보통의 원자핵을 레이저로 조작할 수 없는 이유”라고 설명했습니다.

이 문제를 해결할 가능성이 있는 것으로 보이는 물질이 토륨의 동위원소인 '토륨 229'의 원자핵입니다. 토륨 229는 매우 가깝게 인접한 2개의 에너지상태를 가지고 있기 때문에 원칙적으로 레이저로 원자핵을 여기시킬 수 있다고 생각되었습니다.

그런데 지금까지는 토륨 229를 레이저로 여기시킬 수 있다는 아이디어에 대해서는 간접적인 증거밖에 없었습니다. 큰 문제는 레이저로 원자핵을 여기시키기 위해서는 필요한 에너지를 100만 분의 1전자볼트의 정밀도로 특정할 필요가 있다는 점이었습니다.

무작위로 필요한 에너지를 파악하는 것은 건초 더미에서 바늘을 찾는 것처럼 난감한 작업입니다. 도호쿠 대학 등의 연구팀은 이온트랩을 이용하여 토륨 229의 연구를 실시했으나 슈 씨 연구팀은 토륨 원자를 대량으로 혼입한 결정을 개발하여 대량의 토륨을 단번에 조사하는 방법을 고안했습니다.

그리고 슈 씨 연구팀은 마침내 토륨 229의 핵을 여기시키는 정확한 에너지를 확인하는 데 성공했습니다. 슈 씨는 “우리의 꿈이 이뤄진 것 같습니다. 원자핵을 대상으로 한 최초의 레이저 여기라는 결정적인 브레이크 스루를 발표할 수 있다는 것을 기쁘게 생각한다”고 소감을 밝혔습니다.

토륨 229를 레이저로 여기하는 방법을 알면 이 기술을 다양한 정밀측정에 활용할 수 있습니다. 슈 씨는 “당초부터 원자핵시계의 제조는 중요한 장기적 목표였습니다. 진자시계가 진자의 흔들림을 타이머로 이용하는 것과 마찬가지로 토륨 전이를 여기하는 빛의 진동을 타이머로 이용하면 현재 사용 가능한 최고의 원자시계보다 훨씬 정확하고 새로운 유형의 시계를 만들 수 있을 것”이라고 보았습니다.

또한 시간뿐만 아니라 지구의 중력장을 정밀하게 분석하여 광물 자원과 지진의 징후를 검출하는 데 도움이 될 가능성도 있으며 '자연계의 정수는 정말 상수인가?'라는 의문의 규명에도 응용할 수 있을지도 모른다고 합니다. 슈 씨는 “우리의 측정방법은 단지 시작일 뿐입니다. 이것으로 어떤 결과가 얻어지는지는 아직 예측할 수 없지만 매우 흥미로운 것이 될 것임은 틀림없을 것”이라고 전망했습니다.

와인은 일반적으로 유리병에 포장되지만 최근에는 종이팩이나 페트병에 포장되어 판매되는 케이스도 있습니다. 그러나 맥주나 칵테일처럼 알루미늄 캔에 넣으면 이상한 냄새가 발생하는 문제가 있기 때문에 와인이 캔으로 판매되는 경우는 그다지 많지 않습니다. 코넬대학의 게이빈 삭스 교수와 줄리 고다드 교수가 이끄는 팀이 캔 와인의 품질 문제를 해결하기 위한 연구를 발표했습니다.

Hydrogen Sulfide Formation in Canned Wines: Variation Among Can Sources | American Journal of Enology and Viticulture
https://www.ajevonline.org/content/75/1/0750003

Research team identifies culprit behind canned wine's rotten egg smell
https://phys.org/news/2024-04-team-culprit-canned-wine-rotten.html

금속 캔은 가공이 쉽고 범용성이 높고 재활용이 용이하기 때문에 음료 용기로 자주 사용됩니다. 최근 각 와인 메이커가 종이팩이나 페트병에 더해 캔와인을 판매를 시도하고 있는데 캔와인은 때때로 썩은 계란과 같은 냄새가 난다는 문제가 있어서 널리 도입이 진행되지 않고 있습니다.

향기에 대해 연구하고 있는 삭스 교수는 와인 메이커와 캔와인의 악취문제에 대해 논의했고 '왜 콜라에서는 악취가 발생하지 않는 것일까'라고 의문을 품었다고 합니다. 그래서 식품포장에 대해 연구하는 고다드 교수와 협력하여 시판되는 와인과 캔의 조합에 대한 연구를 시작했습니다.

삭스 교수와 고다드 교수가 이끄는 연구팀은 내부 코팅이 다른 다양한 캔에 와인 샘플을 봉입하여 최대 8개월 보관 또는 고온에서 1~2주간 보온함으로써 열화를 가속시켜 썩은 계란 냄새를 재현하는 데 성공했습니다.

캔와인에서 발생한 악취의 원인은 예상대로 황화수소였습니다. 와인에는 항산화제 및 항균제로서 이산화황이 사용되는 경우가 많은데 이 이산화황이 0.5ppm을 초과하는 와인이 캔의 알루미늄과 반응함으로써 미량의 황화수소가 발생했다고 합니다.

연구팀에 따르면 와인에 포함된 이산화황을 0.4ppm 이하로 유지하고 캔 안쪽에 에폭시 수지 코팅을 사용하여 최장 8개월의 장기 보존에도 캔 내 황화수소의 생성을 낮게 억제할 수 있었다고 합니다.

다만 확실하게 반응을 억제하기 위해 충분한 두께의 코팅을 처리하면 캔의 생산비용이 높아지고 재활용 과정에서 에폭시 수지를 연소하게 되기 때문에 환경 친화적이지 않다는 문제가 있다고 합니다. 또 추가 실험에서 캔 내부에 플라스틱 코팅을 했더라도 이산화황과 알루미늄의 반응을 완전히 막을 수 없다는 것을 알게 되었습니다.

삭스 교수와 고다드 교수는 화학과의 헥터 아브루냐 교수와 협력하여 알루미늄의 부식을 막을 수 있는 코팅재료를 모색하고 있다는 것. 삭스 교수는 “지금의 젊은 세대는 휴대가 가능하며 콘서트나 수영장에서 마실 수 있는 음료를 원하고 있어서 캔와인의 수요는 여전히 높다"고 전망했습니다.

천연 다이아몬드는 지구의 깊은 곳에서 탄소원자의 집합체가 극도의 고온·고압에 노출되어 형성되며 인공적으로 합성 다이아몬드를 만들어내는 고온 고압법(HPHT법)은 지구 내부의 생성 프로세스를 재현한 것입니다. 새롭게 한국의 기초과학연구원과 울산과학기술원의 연구팀이 상압에서 다이아몬드를 만드는 기술을 개발했다고 과학지 Nature에 발표했습니다.

Making diamonds at ambient pressure | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1042017

Forget Billions of Years: Scientists Have Grown Diamonds in Just 150 Minutes : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/forget-billions-of-years-scientists-have-grown-diamonds-in-just-150-minutes

99%가량의 합성 다이아몬드의 제조에 사용되고 있는 HPHT법에서는 일반적으로 섭씨 1300~1600도의 온도범위 내에서 5GPa~ 6GPa의 압력을 가하고 액체 금속을 촉매로 사용하여 다이아몬드를 성장시킵니다. 이미 합성 다이아몬드는 보석품이나 정밀 가공용 공구 등 폭넓은 분야에서 이용되는데 보다 저압이면서 단시간에 합성 다이아몬드를 만드는 방법을 발견할 수 있으면 합성 다이아몬드의 제조에 혁명이 초래될 가능성이 있다고 합니다.

한국의 연구팀은 합성 다이아몬드의 새로운 제조방법을 찾는 프로세스를 단축하기 위해 'RSR-S'라는 자체 제작의 진공 시스템을 개발했습니다. 이에 따라 액체금속의 비율이나 온도 등의 파라미터를 조정하는 연구가 대폭 가속되었고 상압의 환경하에서 합성 다이아몬드를 만들어내는 파라미터를 발견했습니다.

연구팀이 발견한 합성 다이아몬드의 제조방법은 1기압(약 1013hPa) 섭씨 1025도의 조건 하에서 갈륨·니켈·철·규소를 '77.75:11.00:11.00:0.25'의 비율로 혼합한 액체 금속에 순수한 메탄과 수소를 노출한다는 것. 메탄에 함유된 탄소원자가 액체 금속의 표면 아래로 퍼져 불과 15분 정도로 작은 다이아몬드의 핵이 형성되었고 최종적으로 액체 금속의 표면에 다이아몬드 막이 만들어졌다고 연구팀은 보고했습니다.

울산과학기술원 대학원생이자 논문의 필두저자인 Yan GONG 씨는 “어느 날 RSR-S 시스템을 사용하여 실험을 하고 흑연 도가니를 냉각시켜 액체금속을 응고시키고 고화시켰습니다. 액체 금속 조각을 제거할 때 파편의 바닥면 수 mm에 걸쳐 무지개 같은 모양이 퍼지고 있는 것을 깨달았습니다. 이 무지개 색이 다이아몬드에 의한 것으로 밝혀졌습니다! 이를 통해 다이아몬드의 재현성 있는 성장에 유리한 매개변수를 확인할 수 있습니다."라고 설명했습니다.

이번 연구에서는 합성 다이아몬드와 접하는 액체 금속의 표면하 영역에 두께 30~40mm의 비정질 영역이 존재하고, 이 영역 상부에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소원자인 것으로 드러났습니다. 탄소는 갈륨에 용해되지 않는다고 생각되고 있기 때문에 갈륨이 풍부한 액체 금속에 이렇게 고농도의 탄소가 녹아 있는 것은 예상외였다고 합니다.

또한 액체금속에 약간 함유된 규소가 합성 다이아몬드의 성장에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 규소가 최적치보다 늘어나면 다이아몬드의 사이즈는 작고 밀도는 높아졌고 규소가 없으면 다이아몬드는 전혀 성장할 수 없었다고 합니다. 이것은 합성 다이아몬드의 초기 형성에 규소가 관여할 가능성을 시사합니다.

이번 연구에서는 갈륨, 니켈, 철, 규소로 구성된 액체 금속이 사용되었지만 니켈을 코발트로 대체하거나 갈륨을 갈륨과 인듐의 혼합물로 대체해도 고품질의 다이아몬드를 성장시킬 수 있었다고 합니다.

기초과학연구소의 다차원 탄소재료센터의 소장인 로드니 루오프 씨는 “액체금속에서 다이아몬드의 핵생성과 성장에 대한 우리의 발견은 매력적이고 기초과학에 많은 흥미로운 기회를 줍니다. 우리는 현재 핵의 생성과 다이아몬드의 급속한 성장이 언제 일어날지 탐구하고 있다”고 설명했습니다.

다른 반도체와 금속의 접합부에 전류를 흘리면 열이 한쪽으로 이동한다는 현상을 이용한 '열전냉각'이라는 기술이 CPU의 냉각이나 의료, 군용기구에 사용되는 경우가 있습니다. 이 열전냉각에 대해 물리학자인 알프레드 피고트 씨가 설명했습니다.

How Thermoelectric Cooling Works [2024] - Applied Thermoelectric Solutions LLC
https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-cooling-works/

열전냉각에는 p형 반도체와 n형 반도체와 2개의 금속을 사용합니다. p는 포지티브, n은 네거티브를 가리키며 각각 양과 음의 전하를 갖는 것이 이름의 기원입니다.

두 반도체(N과 P)는 2장의 금속(Ceramic Plate)에 끼워져 금속과 반도체의 접합부에 전류가 흐릅니다. 그 결과 전자의 흐름이 생겨나 한쪽의 금속에서는 전자가 에너지를 빼앗기 때문에 냉각이 일어나고 다른 한쪽에서는 전자가 방출하는 에너지에 의해 가열이 일어납니다. 열전냉각 모듈의 극성을 반전시키면 뜨거워지는 쪽과 차가워지는 쪽이 바뀝니다.

또한 열이 한쪽에서 다른쪽으로 이동하는 속도는 p형 반도체와 n형 반도체의 수, 공급되는 전류의 유량에 비례합니다.

열전냉각은 장 샤를 펠티에가 발견한 펠티에 효과가 바탕입니다. 펠티에는 반도체 대신 금속을 사용했지만 열전냉각과 열전 발전의 효율을 높이기 위해 현대에서는 반도체가 사용되고 있습니다.

그 반도체의 재료에는 텔루르화 비스무트가 일반적으로 사용되며, n형과 p형 각각에 셀레늄과 안티몬이 첨부되어 있습니다.

열전냉각은 마모되는 작동 부품이 없으며 모든 방향으로 설치되며 무중력 및 고가속 하에서도 작동할 수 있다는 장점이 있기 때문에 항공우주 및 군사산업에서 애용합니다. 또한 온실가스를 발생시키지 않고 1개의 냉각과 가열 양쪽을 실시할 수 있고 컴팩트한 사이즈로 거의 완전한 정음과 무진동을 실현하며 온도를 정확하게 제어할 수 있는 등 다양한 이점이 있습니다.

단점으로는 설계에 따라서는 효율이 극단적으로 떨어지게 되고 경우에 따라서는 전력비용이 높아지는 점 등이 과제로 남아 있습니다.

피고트 씨에 따르면 열전냉각 모듈은 모두 p형 반도체로 만들거나 반대로 모두 n형 반도체로 만들 수도 있다고 합니다. 그러나 이러한 설계에서는 하나의 모듈에 많은 반도체와 다량의 전류가 필요하기 때문에 그다지 실용적인 것이 되지 않는다는 것입니다.

열전냉각이 사용되는 제품에는 의료용 레이저와 휴대용 인슐린 냉장고, 자동차 냉각 시트 및 배터리 열관리 시스템, 군용 열센서 및 적외선 검출기, 일반 소비자용 휴대용 쿨러 등이 있습니다.

두께 원자 1개분으로 탄소만으로 구성된 시트상 물질 '그래핀'은 소재 강도가 매우 높고 열전도와 전기전도가 매우 높기 때문에 미래의 신소재로서 기대되고 있습니다. 린쇼핀대학의 연구팀이 이 그래핀과 마찬가지로 원자 1개분의 두께인 금 시트 'Goldene'을 생성하여 분리하는 데 성공했다고 보고했습니다.

A single atom layer of gold – LiU researchers create goldene - Linköping University
https://liu.se/en/news-item/ett-atomlager-guld-liu-forskare-skapar-gulden

Meet ‘goldene’: this gilded cousin of graphene is also one atom thick
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01118-0

그래핀과 유사한 2차원 소재는 지금까지 많은 과학자들에 의해 추구되어 왔지만 금속원자는 항상 클러스터화되어 나노입자가 되는 경향이 있었기 때문에 금속원자의 2차원 재료를 생성하는 것은 매우 어려웠다고 합니다.

2015년에 발표된 연구에서는 주석 원자의 2차원 재료, 2019년의 연구에서는 납 원자의 2차원 재료가 보고되었습니다. 이번 린쇼핀대학의 연구팀이 발표한 것은 '최초이자 단독으로 자립하는 금 원자의 2차원 재료'로, 연구팀은 이를 그래핀(Graphene)을 참고하여 'Goldene'이라고 명명했습니다.

Goldene을 생산하기 위해 린쇼핀대학은 티타늄 탄화물 사이에 실리콘 원자 단층을 끼워 넣은 재료를 생산했습니다. 이 적층구조 위에 금을 첨가하면 금 원자가 구조로 확산되어 실리콘이 치환되고 금 원자 단층이 구성됩니다.

그런 다음 티타늄 탄화물만을 제거하여 Goldene 단품을 꺼냅니다. 이 티타늄 탄화물을 제거하는 기술에는 '무라카미 시약'이라는 일본의 단조기술이 응용되었다고 합니다. 이 무라카미 시약은 탄화물을 에칭하여 제거하고 강철의 색을 바꾸기 위해 사용되는 데, 린쇼핀대학의 연구원인 카시와야 슌 조교는 무라카미 시약의 농도나 시간을 조금씩 바꾸면서 실험을 계속했다고 합니다. 또한 티타늄 탄화물을 제거한 후에 노출된 Goldene이 둥글게 되어 금 나노입자가 되어 버리지 않도록 계면활성제를 사용하여 구조를 안정시켰다고 합니다.

카시와야 조교는 “시트상 물질인 Goldene은 용액 속에 있어서 우유에 들어간 콘플레이크와 조금 비슷합니다. 일종의 필터를 이용하여 금을 모아 전자현미경으로 검사하여 성공 여부를 확인합니다.”라고 설명했습니다.

금 나노입자가 전자공학, 촉매, 포토닉스,, 센싱, 바이오의료 등의 분야에서 유망시되고 있기 때문에 연구팀은 Goldene도 마찬가지로 유용할 것으로 전망했습니다.

예를 들어 금 나노입자에는 빛을 흡수하면 전자가 고에너지 상태로 전이한다는 광학특성이 있으며, 이 성질을 이용하여 물을 분해하여 수소를 생성하는 광촉매 등이 연구 개발되고 있습니다. 또한 Goldene을 대량생산할 수 있게 되면 다양한 곳에서 사용되고 있는 금의 양이 대폭 삭감될 가능성도 있습니다.

연구팀은 이번에 생성한 Goldene이 새로운 가능성을 개척할지도 모르지만 그 특성에는 규명되지 않은 부분도 많아 향후 더 많은 연구가 필요하다고 보았습니다. 또 백금이나 은 등 다른 귀금속에서도 Goldene과 같은 생성방법으로 2차원 재료를 만들 수 있는지를 조사할 예정이라고 합니다.

스마트폰이나 노트북을 오랫동안 소중히 사용하는 사람 중에는 사용하고 있는 동안 배터리가 노후화되어 충전해도 곧 배터리가 바닥나는 문제에 시달리는 사람이 적지 않습니다. 최근 일정한 전류가 흐르는 '정전류'가 아니라 '펄스 전류'를 사용하여 충전함으로써 많은 디바이스에서 사용되고 있는 리튬이온 전지의 수명을 배로 증가시키는 것이 가능하다는 연구결과가 발표되었습니다.

Tired of your laptop battery degrading? New 'pulse current' charging process could double its lifespan. | Live Science
https://www.livescience.com/technology/electronics/tired-of-your-laptop-battery-degrading-new-pulse-current-charging-process-could-double-its-lifespan

BESSY II - How pulsed charging enhances the service time of batteries - Batteries News
https://batteriesnews.com/bessy-ii-how-pulsed-charging-enhances-the-service-time-of-batteries/

스마트폰에서 전기자동차에 이르기까지 많은 제품에 탑재되어 있는 리튬이온 배터리는 1회의 충방전을 1사이클로 하는 충전 사이클을 수백 회 반복하는 동안에 열화하고 최대 용량이 조금씩 줄어갑니다.

독일 훔볼트대학 베를린과 덴마크 올보대학 연구팀에 따르면 현행 최첨단 리튬이온 전지는 전극에 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC532)과 흑연을 채용한 것으로 내용연수는 5~8년 정도라는 것. 이것은 충전 사이클로 하면 300~500회 정도입니다.

보다 고도의 충전 프로토콜인 펄스 전류를 사용하면 이 리튬이온 전지의 수명이 연장될 가능성이 지금까지의 연구에서 시사되어 왔지만 그 메커니즘은 잘 알지 못했기 때문에 실용화에 실패했습니다.

충전방식의 차이가 배터리의 열화에 미치는 영향을 조사하기 위해 연구팀은 시판되는 리튬이온 배터리를 정전류와 펄스 전류로 충전하고 100 사이클마다 배터리의 상태를 진단하는 실험을 실시했습니다. 그 결과 펄스 전류로 충전한 배터리는 수명이 두 배가 되는 것이 확인되었습니다.

다음은 실험결과를 요약한 그래프입니다. 정전류(CC)로 충전한 배터리는 500사이클의 시점에서 충전용량이 80%를 아래로 떨어져 사실상의 수명에 이르렀고 1000사이클 후에는 37.8%밖에 남지 않았습니다. 한편 주파수가 100Hz의 펄스 전류(Pulse-100)로 충전한 배터리는 80%가 될 때까지 700사이클을 달성했고 1000사이클 후에도 66.48%의 용량을 유지했습니다. 그리고 주파수 2000Hz의 Pulse-2000에서는 1000 사이클을 넘어도 80% 이상의 성능을 유지했습니다.

연구팀이 충방전을 반복한 리튬이온 전지를 분석한 결과 정전류로 충전된 배터리에서는 전류가 흐르는 전극인 애노드의 표면에 형성되는 고체 전해질 계면(SEI)이라는 막이 크게 두껍게 되어 있어서 이것에 의해 배터리가 유지할 수 있는 충전량이 제한되고 있었습니다.

또한 NMC532와 흑연으로 만들어진 전극에도 무수한 균열이 생겨서 용량 감소의 요인이 되고 있었습니다. 대조적으로 펄스 전류로 충전된 배터리는 SEI가 얇고 전극에 대한 데미지도 낮게 억제되었습니다.

다음은 전극(Graphite)의 표면을 현미경으로 확대한 사진으로 왼쪽부터 차례로 신품(Fresh), 정전류(CC), 2000Hz 펄스 전류(Pulse-2000)입니다. 정전류로 충전한 전극(중앙)에는 약 110nm의 막이 붙어 있었습니다만, 펄스 전류(오른쪽)에서는 절반인 약 50nm로 억제되었습니다.

연구팀은 2024년 3월 14일자의 학술지 Advanced Materials Sciences에 게재한 논문에서 “이러한 발견은 현행 리튬이온 전지의 충전방식을 최적화시켜 내용연수를 늘려 더욱 향후의 배터리 기술을 발전시키는 통찰력도 가져온다”고 전망했습니다.

물질을 구성하는 최소 단위인 소립자를 연구하는 소립자물리학에서는 입자를 가속시켜 대상에 맞추거나 서로 충돌시키는 가속기에 의한 실험이 중요하지만 차세대 가속기 개발에는 비용과 기간면에서 과제가 존재합니다. 그런 가운데 미국에서는 소립자의 하나인 '뮤입자'를 고속으로 충돌시키는 'muon collider(뮤입자 충돌형 가속기)'의 개발이 검토되고 있다고 하며, 과학지 Science가 뮤입자 충돌형 가속기의 개발에서의 과제나 전망에 대해 정리하했습니다.

A muon collider could revolutionize particle physics—if it can be built | Science | AAAS
https://www.science.org/content/article/muon-collider-could-revolutionize-particle-physics-if-it-can-be-built

소립자 물리학자들은 수십 년 동안 가속기를 사용하여 고에너지 입자를 충돌시켜 현상과 입자를 관측해 왔습니다. 에너지와 질량은 등가이기 때문에 입자를 고에너지로 충돌시킴으로써 소립자의 3개의 기본적인 상호작용을 기술하는 표준모형을 검증하거나 미지의 소립자나 물리현상을 탐색할 수 있습니다.

현시점에서 존재하는 가속기 중에서 가장 강력한 것은 유럽원자핵연구기구(CERN)가 건설한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC)입니다. LHC는 양성자를 빔으로 정면 충돌시키는 가속기로 이론적으로 예언되고 있던 힉스입자의 발견에 공헌하는 등 크게 활약했습니다.

더욱 소립자를 이해하기 위해서는 보다 고에너지로 입자를 충돌시킬 필요가 있기 때문에 CERN은 더욱 대형이고 강력한 가속기의 구축을 계획하고 있다고 합니다. 전장 27km의 원형 충돌형 가속기인 LHC에 비해 CERN은 전장 100km에 이르는 'Future Circular Collider(FCC：미래 원형 충돌형 가속기)'의 건설 프로젝트를 검토하고 있습니다.

International collaboration publishes concept design for a post-LHC future circular collider at CERN | CERN
https://home.cern/news/press-release/accelerators/international-collaboration-publishes-concept-design-post-lhc

그러나 업그레이드한 FCC(FCC-hh)가 가동하는 시기는 2070~2080년이 될 가능성이 커 현재 연구를 하고 있는 소립자 물리학자의 대부분은 그 무렵에 은퇴 혹은 사망할 것으로 보입니다. 이에 미국의 소립자 물리학자들은 양성자나 전자가 아니라 '뮤입자'라는 고에너지의 소립자를 반뮤입자와 충돌시키는 뮤입자 충돌형 가속기의 개발을 추진하고 있습니다.

2023년 12월 미국 정부의 과학 자문 위원회인 Particle Physics Project Prioritization Panel(5P: 소립자 물리학 프로젝트 우선 순위 패널)은 미국에서의 향후 10년 간의 연구 로드맵을 제시했는데 그 중에서 뮤입자 충돌형 가속기의 연구개발도 포함되어 있었습니다. 뮤입자 충돌형 가속기는 미국 페르미 국립 가속기 연구소의 캠퍼스 내에 들어갈 수 있는 크기가 될 수 있으며, 유럽에 앞서 건설할 수 있다면 가속기 개발 경쟁에서 미국이 주도권을 되찾을 수 있을 것으로 기대됩니다.

뮤입자 충돌형 가속기를 개발하는 이점은 기능적으로 동등한 양성자 충돌형 가속기보다 작고 저렴한 비용으로 FCC-hh보다 수십 년 빨리 완성될 수 있다는 점 등이 있습니다. 뮤입자는 전자의 207배의 질량을 가지며 가속 중에 방사하는 에너지가 훨씬 적기 때문에 원형 가속기의 반경이 불과 10km 정도에서 충분할 것으로 보입니다. 시산에 따르면 FCC-hh의 구축에는 500억 달러의 비용이 드는데 성능이 필적하는 뮤입자 충돌형 가속기의 구축은 180억 달러로 실현할 수 있다고 보여지고 있다는 것.

또 복수의 소립자가 결합된 양성자와 달리 뮤입자는 소립자이기 때문에 뮤입자 충돌형 가속기는 힉스입자가 생성되기 쉽고 소립자물리학의 연구에서 중요한 힉스장의 연구에 이점이 있다고 합니다. 이탈리아 국립 핵물리학연구소의 연구자인 도나텔라 루케이지 씨는 “이 기회를 놓치지 말아야 한다. 이것은 매우 중요하다”고 말했습니다.

테네시대학의 소립자 물리학자인 토바 홈즈 씨는 FCC-hh가 완성될 무렵에는 확실히 은퇴했거나 죽기 때문에 25년 정도에 완성될 가능성이 있는 뮤입자 충돌형 가속기에 기대하고 있다는 것.

뮤입자 충돌형 가속기에 대한 기대가 높아지는 한편 실제로 뮤입자를 가속시켜 충돌시키는 기구를 실현할 수 있는지는 불투명합니다. 큰 과제 중 하나가 '양성자와 전자와 달리 뮤입자는 순식간에 붕괴된다'는 점입니다.

뮤입자는 놓아두면 2.2마이크로초만에 중성미자와 반중성미자로 붕괴해 버리기 때문에 뮤입자 충돌형 가속기는 한순간에 뮤입자의 생성부터 가속, 그리고 충돌까지를 실행하지 않으면 안됩니다. 페르미연구소의 소립자 물리학자인 세르고 진 달리아니 씨는 “뮤입자는 불안정하므로 가속의 모든 단계가 믿을 수 없을 정도로 빨라야 된다”고 보았습니다.

현시점에서는 뮤입자 충돌형 가속기의 개발 프로젝트가 시작되고 있는 것은 아니고, 소립자 물리학자들은 기초적인 연구개발의 지원을 요구하고 있는 단계입니다.

4년에 1번, 2월이 1일 길어지는 윤년은 잘 알려져 있고 이와는 별도로 12월 31일이나 6월 30일에 1초 조정하는 윤초도 존재합니다. 윤초는 지금까지는 모두 1초 길게 했지만 2029년까지 1초 줄여야 한다는 계산결과가 보고되었습니다.

A faster spinning Earth may cause timekeepers to subtract a second from world clocks | AP News
https://apnews.com/article/leap-second-subtract-melting-ice-clocks-74eaac47b9c429910723a604897032a4

Why time will stop in 2029: Scientist says a 'negative leap second' will be needed to adjust for Earth's rotation speeding up | Daily Mail Online
https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-13244921/Scientists-negative-leap-second-2029.html

◆지구는 오랫동안 감속해 왔다
캘리포니아대학 샌디에고교 스크립스 해양연구소의 물리학자인 던컨 아그뉴 씨에 의하면 지구는 과거 수천 년에 걸쳐 대체로 감속해 왔습니다. 자전속도의 저하는 주로 달의 인력이 초래하는 조수간만의 영향, 즉 조수 마찰에 의해 발생해 왔습니다.

자전의 속도가 변한다고 해도 눈에 보이는 영향은 나오지 않기 때문에 원자시가 공식 표준시간으로서 채용될 때까지는 특별히 문제가 되지 않았습니다. 그러나 세슘원자가 91억 9263만 1770회 진동하는 것을 1초로 정의하는 초고정밀 원자시계의 등장으로 인해 원자시계가 새기는 '원자시'와 지구의 1일에 기초한 '천문시' 사이에 어긋남이 생기게 되었기 때문에 수년에 1번 1초 조정하는 윤초가 필요하게 되었습니다.

1972년에 윤초가 도입된 이래 지구의 하루가 길어지는 데 맞추어 27회 윤초가 추가되었으며 최근으로는 2016년 12월 31일 23시 59분 59초 후에 1초가 추가되었습니다.

◆ 최근에는 가속하는 경향
최근에는 감속의 템포가 서서히 둔화되었고 오히려 가속하고 있다는 보고가 종종 나왔습니다. 가속에는 여러 요인이 얽혀 있지만 주된 이유는 지구의 중심부에 있는 고온의 액체 코어의 흐름이 예측 불가능한 형태로 변화하기 때문이라고 합니다.

지구의 핵은 1972년 이후의 과거 50년 정도 자전을 가속시키는 작용을 가져왔지만 그 영향은 최근의 급격한 지구 온난화에 의해 상쇄되고 있었습니다. 1990년대 이후 지구의 극지의 얼음이 맹렬한 기세로 융해되어 증가한 해수가 극지에서 적도 부근으로 이동하면서 감속하는 작용을 했습니다. 회전하는 스케이트 선수가 팔을 펼치면 속도가 떨어지는 현상과 비슷합니다.

◆기후변화로 윤초의 예정이 연기
아그뉴 씨는 2024년 3월에 과학지 Nature에 게재한 논문에서 지구 온난화에 의한 영향으로 2026년에 필요했던 음의 윤초가 3년 늦은 2029년이 되었다는 연구결과를 발표했습니다. 윤초는 2035년까지 실질적으로 폐지하기로 결정했기 때문에 마지막 윤초는 음이 될 가능성이 있습니다.

1초를 늘리거나 줄이는 작업은 원자시계가 새기는 정확한 시간에 따라 움직이는 현대사회에 대한 영향은 엄청나서 2012년 윤초에는 호주 캔터스항공이나 소셜 뉴스사이트 Reddit, Linux로 동작하고 있는 서버 시스템 등에서 장애가 발생했습니다.

아그뉴 씨는 “미래의 지구방위를 예측할 때 지구의 핵과 기타 관련 현상의 경향을 고려하면 미디어에 대해 현재 정의되고 있는 협정 세계시는 2029년까지 음의 불연속 즉, 음의 윤초가 필요하다는 것을 알았는데 사실이라면 컴퓨터 네트워크의 타이밍에 전례 없는 문제를 일으킬 것이므로 계획보다 빨리 협정 세계시 변경을 해야 할 수도 있다”고 설명했습니다.

또 기후변화가 지구의 자전에까지 영향을 미친다는 것이 다시 한번 나타났기 때문에 아그뉴 씨는 논문에 “극지의 얼음의 융해가 최근 가속되지 않았다면 이 문제는 3년 일찍 일어났을 것으로, 지구 온난화는 이미 세계의 계시에 영향을 미치고 있다”고 보았습니다.

반도체는 노트북이나 스마트폰 등 일상생활에서 사용하는 많은 물건에 탑재되어 있어서 현대인의 생활에 필수적이다. 그런 반도체산업이 의존하는 단 하나의 공장의 존재가 화제가 되고 있습니다.

High Purity Quartz
https://www.sibelco.com/en/materials/high-purity-quartz

2023년에 출판된 서적 'Material World'에 의하면 세계의 반도체산업은 미국의 노스캐롤라이나주 스프러스 파인(Spruce Pine)에 위치한 Sibelco의 공장에 의존하고 있다고 합니다. 이 공장에서는 초고순도의 석영이 생산되는데 실리콘 웨이퍼의 정제에 필요한 용융 석영 도가니의 재료가 되는 석영의 유일한 공급원이라고 합니다.

Sibelco의 공식 홈페이지에서는 고순도 석영에 대해 '독특한 광학적·역학적·열적 특성을 가지는 용융 석영의 제조에 이용되는 폭넓은 하이테크 제품의 제조에 필수적인 물질'이라고 설명되어 있습니다.

펜실베니아 대학 워튼교에서 경제나 AI에 대해 연구하는 이단 모릭 씨에 의하면 Sibelco의 고순도 석영과 동등한 조성의 석영을 인공적으로 합성하는 것은 기술적으로는 가능하다고 합니다. 그러나 고순도 석영의 합성에는 상당한 비용이 들고 생산기술의 확대에는 오랜 시간이 걸립니다. 이 때문에 Sibelco의 고순도 석영이 생산 불가능한 상태에 빠지면 반도체산업이 장기간에 걸쳐 큰 혼란에 빠질 가능성이 있다고 지적했습니다.

노팅엄 대학, 킹스 칼리지 런던, 뉴캐슬 대학의 연구팀이 초유동 상태의 극저온 액체 헬륨을 이용한 실험장치로 '양자 소용돌이'를 만들어 회전하는 블랙홀의 중력상태와 유사한 상태를 만들어내는 데 성공했다고 발표했습니다.

Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07176-8

'Quantum tornado' allows scientists to mimic a black hole on Earth | Space
https://www.space.com/quantum-tornado-black-hole-physics-simulation-absolute-zero

아래의 이미지는 노팅엄 대학의 패트릭 스반카라 박사 등이 구축한 마이너스 271℃에 가까운 극저온 액체 헬륨을 넣은 실험장치입니다.

연구팀은 "중력과 유체의 유사성에는 점도의 소실이 필요하다"며 액체의 점도가 없어져 용기 안에서 벽면을 올라가 넘치거나 통상이면 통과할 수 없는 원자 하나의 틈새에서도 액체가 흘러나오는 초유동을 이용했습니다.

스반카라 박사에 의하면 초유동 상태의 극저온 액체 헬륨 중에는 '양자 소용돌이'가 포함되어 있어 서로 떨어져 퍼지는 경향이 있다고 합니다.

이번 실험에서 연구팀은 수만 개의 양자를 작은 양자 소용돌이에 가두어 양자 유체로서 기록적인 힘의 소용돌이를 만드는 데 성공했습니다.

그리고 이 소용돌이의 흐름과 블랙홀이 주변 시공간에 미치는 영향 사이에 흥미로운 유사점이 발견되었다고 합니다.

이번 성과는 곡선 시공의 복합 영역에서의 '유한 온도 양자장 이론'의 시뮬레이션에 새로운 길을 얼었다고 합니다.

네비게이션앱 등에서 활용되고 있는 GPS를 비롯한 위성 측위시스템에는 때때로 방해가 일어나는 경우가 있습니다. 세계 어느 곳에서 간섭·방해가 이루어지고 있는지를 항공기의 통과 데이터를 바탕으로 가시화한 지도를 레이더앱 'Flightradar24'가 제작하여 공개했습니다.

GPS jamming & interference map | Flightradar24
https://www.flightradar24.com/data/gps-jamming

공개된 지도를 살펴보면 색이 입혀진 곳 중 녹색에 가까울수록 간섭파가 적고 적색에 가까울수록 간섭파가 많은 지역인 것을 나타내고 있습니다. 명칭은 'GPS 재밍 맵'이지만 미국이 운용하고 있는 GPS 외에 러시아의 GLONASS, 유럽의 갈릴레오, 중국의 BeiDou 등의 데이터도 포함되었다고 합니다.

지도상에서 적색의 비율이 높은 곳은 흑해 남쪽 해안에서 중동에 걸친 지역입니다.

인도 파키스탄 국경의 산악지대와 미얀마 주변에도 적색이 보입니다.

한편 흑해 북쪽 해안의 우크라이나 주변에는 색칠이 되어 있지 않는데 그 이유는 항공편 수가 충분히 존재하는 데이터만 사용하기 때문입니다.

Flightradar24는 향후 다른 데이터 소스를 추가하여 맵을 향상시킬 예정이라고 합니다.

불이란 화학적으로는 물질의 연소(물질의 급격한 산화)에 수반하여 일어나는 현상 혹은 연소의 일부라고 생각되는 현상이다.

불은 열과 빛을 발생시키고 다양한 화학물질을 생성한다. 기체가 연소하여 발생하는 심한 것은 화염이라고 불린다. 연기가 열과 빛을 가진 형태로 기체가 나타내는 하나의 모습이며 기체가 이온화되어 플라즈마를 발생하고 있는 상태이다. 연소하는 물질의 종류나 함유하고 있는 물질에 의해 불꽃의 색이나 강도가 변화한다.

인류의 불에 대한 이해는 크게 변천해 왔다. 상징적인 이해는 고대부터 현대까지 힘을 가지고 있다. 또 이지적으로는 고대 그리스에서는 4대 원소의 하나로 생각되었다. 서구에서는 18세기 무렵까지 이런 생각이었다. 18세기에 영향력을 가진 플로기스톤설도 과학사적으로 중요하다.

인류는 옛날 불을 조명, 조리, 난방, 신호를 주고받기 위해 사용했으며 근대 이후에는 동력원으로도 불을 이용해 왔다. 불의 사용으로 처음으로 인류는 문명을 가질 여유를 갖게 되었다거나 불을 문명의 상징으로 생각하는 사람도 있다. 이것은 그리스 신화에서 '프로메테우스의 불'의 이야기를 상기시킨다. 그 후에도 불은 인간의 생활 속에서 매우 큰 지위를 차지했고 불을 일으키기 위한 연료의 확보는 모든 시대에 있어서 정치의 기본이 되었다. 특히 20세기 중반 이후에는 가장 널리 사용되는 연료는 석유이며 산유국은 막대한 이익을 올리고 석유 가격의 변동은 세계 경제에 큰 영향을 미친다.

불은 화재를 일으킬 수 있으며 물적 손해를 입을 수 있다. 또한 생태계에도 영향을 미치는 중요한 과정이다. 불은 어느 면에서는 생태계를 유지하고 생물의 성장을 촉진하는 효과를 가진다. 또 불은 수질·토양·대기 등을 오염시키는 원인이라는 측면도 있다.

▣ 불의 구조
불은 염심과 내염, 외염으로 구성되어 있다. 가장 밝은 것은 내염이다. 탄소가 가장 많이 포함되어 있기 때문이다. 가장 뜨거운 것은 외염이다. 산소와 가장 많이 접촉하기 때문이다. 또한 내염은 불완전 연소를 일으킨다.

최근에는 '연소에 의해 해방된 에너지 때문에 연소하고 있는 물체는 발광한다'고 설명하는 경우가 있다.

불에는 연료와 산소와 열이 필요한다. 불을 붙이기 위해서는 가연물, 산소가스 등의 산화제, 이 혼합물이 인화점을 넘는 데 필요한 열이 필요하다. 불이 점화되면 연소에 의해 생성된 열에너지가 추가 연소를 일으키고 연소를 계속하려면 연쇄반응을 생성하기 위해 연료와 산소가 연속적으로 공급되어야 한다. 불은 이러한 요소가 갖추어지지 않는 환경에서는 존재하지 않는다. 연료와 산소뿐만 아니라 촉매가 필요할 수 있다. 촉매는 그 자체가 연소하지는 않지만 화학반응을 촉진하는 역할을 한다.

불을 끄려면 위의 요소 중 하나를 제거해야 한다. 예를 들어 천연가스에 붙은 불을 끄려면 다음 중 하나를 수행하면 된다.

• 가스 공급을 중단한다 - 연료를 제거한다.
• 화염을 무언가로 완전히 밀봉한다 - 산소 공급을 차단하고 화염 주위에 CO2를 채운다.
• 물을 대량으로 뿌리고 불꽃이 열을 발생하는 것보다 빠르게 열을 빼앗는다. 냉기를 불어넣어도 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.
• 할로메탄과 같은 반응 지연제를 사용한다. 연소의 화학반응 자체를 지연시켜 연쇄반응을 방지한다.
반대로 연소효율을 높임으로써 불을 강화할 수 있다. 이를 위해서는 화학량론적으로 서로 맞닿은 형태로 연료와 산소의 공급량을 조정한다. 이것에 의해 불의 온도도 높아져 연쇄반응도 강해지지만 동시에 촉매를 필요로 하는 경우도 있다.

화염은 가시광선 또는 적외선을 방출하는 화학반응 중의 기체와 고체의 혼합물이며 그 주파수 스펙트럼은 연소물 및 중간 생성물의 화학조성에 따라 다르다. 나무와 같은 유기물을 태우거나 가스를 불완전하게 연소하면 그을음이라는 빛나는 고체입자가 생겨 붉은색에서 오렌지색 불꽃이 발생한다. 불의 빛은 연속적인 스펙트럼을 가지고 있다. 가스가 완전히 연소되면 화염 속에서 여기된 분자의 전자가 다양한 전이를 일으켜 단일 파장의 빛을 방출하기 때문에 약간 어두운 청색의 빛이 된다. 일반적으로 불에는 산소가 필수이지만 수소와 염소가 화학반응하여 염화수소가 되는 경우도 화염을 발생시킨다. 그 밖에도 불소와 수소, 히드라진과 사산화이질소의 화학반응도 화염을 발생시킨다.

불꽃의 빛은 복잡한다. 그을음, 가스, 연료의 입자 등이 흑체방사하지만 그을음의 입자는 완전한 흑체로서 거동하기에는 너무 작다. 또한 가스 내에서 하향 천이한 원자나 분자가 광자를 방출한다. 방사선의 대부분은 가시광선과 적외선 범위에 있다. 색은 흑체 방사선의 온도 및 연소와 관련된 물질의 화학조성에 따라 변한다. 불꽃의 색을 가장 좌우하는 것은 온도이다. 산불의 사진을 보면 다양한 불꽃의 색이 보인다. 지표 부근이 가장 격렬하게 연소되기 때문에 유기물이 가장 고온에서 연소될 때 백색 또는 황색 불꽃이 보인다. 그 위에 약간 온도가 낮은 오렌지색 화염이 있으며 더 온도가 낮은 붉은 불꽃이 보인다. 붉은 불꽃 위에서는 연소가 일어나지 않고 연소하지 못한 탄소 입자가 검은 연기가 된다.

미 항공우주국(NASA)은 화염 형성에 중력도 어떤 역할을 하고 있음을 발견했다. 중력조건이 다르면 화염의 모양과 색이 바뀐다. 통상 중력 하에서는 대류에 의해 그을음이 위로 올라가기 때문에 노란색이 된다. 우주공간 등 무중력 상태에서는 대류가 일어나지 않기 때문에 불꽃은 구상이 되어 완전히 연소하기 때문에 파랗게 된다. 다만 연소로 인해 발생한 이산화탄소가 그 자리에 머물기 때문에 천천히 이동시키지 않으면 불이 사라져 버린다. 이 차이에 대한 설명은 여러 가지로 생각되지만, 온도가 모든 방향으로 똑같이 전달되기 때문에 그을음이 발생하지 않으며 완전연소를 한다는 설명이 가장 합리적이라고 볼 수 있다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 火
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB

코히라 효과(Coherer Effect)는 접점의 피막이 전기적으로 파괴됨으로써 접촉저항이 급격히 감소하는 현상입니다. 이 코히라 효과는 알루미늄 호일이나 전구를 사용해 간단하게 확인하는 것이 가능한데, 과학계 YouTube 채널 ElectroBOOM이 만드는 방법을 소개했습니다.

Wireless Communication with a Cup of Balls, Coherer Effect - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=VMkdnj698-0

ElectroBOOM의 Mehdi Sadaghdar 씨의 설명에 따르면 코히라 효과를 쉽게 확인할 수 있는 '코히라 검파기'를 간단한 재료로 만들 수 있습니다. 우선은 컵에 2장의 알루미늄 호일을 배치합니다. 그리고 알루미늄 호일을 둥글게 한 것을 몇 개 만듭니다.

알루미늄 호일과 전구를 클립이나 리드선으로 직렬로 연결합니다. 전원을 연결하고 둥근 알루미늄 호일을 컵에 투입. 알루미늄 호일끼리 접촉하면 전기가 흐르고 전구가 점등합니다.

컵을 흔들어 둥근 알루미늄 호일을 움직여 전구를 소등합니다. 알루미늄 호일의 표면은 얇은 산화 피막으로 덮여 있기 때문에 약간의 충격으로 안정된 전류가 흐르지 않아 회로가 절단되어 전구가 빛나지 않게 됩니다.

전구가 꺼지면 컵 옆에서 점화 라이터의 트리거를 당기면 전구가 켜졌습니다. 이 현상은 점화 라이터의 트리거를 당기면 팁에서 발생한 전자파가 알루미늄 호일의 산화 피막을 녹여 회로가 연결되어 발생합니다.

Sadaghdar 씨는 추가실험으로 가로 일렬로 늘어선 알루미늄 호일볼과 전구를 코드로 연결했고 점화 라이터의 트리거를 당기면 전구가 점등했습니다.

Sadaghdar씨는 코히라 효과의 확인과 동시에 전구가 점등했을 때의 전압을 측정했습니다. 컵 안에서 점화 라이터의 트리거를 당기면 전압계의 미터가 반응했습니다. 조금 거리를 두어 측정해 본 결과 대략 10볼트의 전압이 회로에 가해진 것으로 나타났습니다.

또한 전기저항을 측정하면 어느 거리에서 점화 라이터의 트리거를 당겨도 약 1.7Ω~2Ω의 범위에 머무르는 것을 알게 되었습니다.

Sadaghdar 씨에 따르면 컵에 들어간 알루미늄 호일이 에너지를 줍는 안테나와 같은 작용을 하면서 불필요한 고주파 펄스를 제거함으로써 전구를 점등시키기에 충분한 전압을 얻고 있다고 합니다.

한때는 2개의 접점 사이에 작은 금속입자나 볼을 두고 전자파가 발생하면 벨을 울리고 버튼을 누르면 회로를 절단시키는 초기의 모스 신호기에 코히라 효과가 이용되었습니다.

전자파가 발생하는 이유는 이번에 사용한 점화 라이터에 있습니다. 점화 라이터는 물질에 힘을 가하면 압력에 비례한 분극이 나타나는 '압전효과'를 이용해 점화하기 위해 압전소자가 구성되어 있습니다. 그 때문에 압전효과에 의해 방출된 전자파가 알루미늄 호일에 작용하여 전류가 흐른다는 것입니다.

설명을 위해 분해한 점화 라이터와 리드선을 연결하고 멀리 떨어진 곳에서 전구의 점등을 시도한 Sadaghdar 씨는 몇 미터 떨어진 위치에서도 전구의 점등에 성공했습니다. 그러나 더욱 회로를 늘리자 켜지지 않았습니다. Sadaghdar 씨는 “더 멀리서 켜고 싶다면 공진회로를 확대해야 한다”고 설명했습니다.

캘리포니아주 마운틴뷰에 위치한 구글 사옥 'Bay View'에는 Wi-Fi에 연결하기 어려운 문제가 있어서 세계적 IT 대기업의 직원은 이더넷 케이블을 연결하거나 휴대전화를 핫스팟으로 만들고 있다고 로이터가 보도했습니다.

Google's newest office has AI designers toiling in a Wi-Fi desert | Reuters
https://www.reuters.com/technology/googles-newest-office-has-ai-designers-toiling-wi-fi-desert-2024-03-07/

Bay View is open — the first campus built by Google
https://blog.google/inside-google/life-at-google/bay-view-campus-grand-opening/

2017년에 착공하여 2022년에 완성된 Google의 Bay View 캠퍼스는 북미 최대의 지열설비에 의한 전기공급과 'Dragonscale(드래곤의 비늘)'이라고 불리는 9만 장의 솔라 패널, 자연광과 빗물을 받아들이는 특징적인 형상의 지붕 등을 갖춘 미래적인 사옥입니다.

"Google 직원으로부터 요구사항을 수집하였고 그 결과 팀워크로 단결하면 생산성이 높아지고 창조적이게 될 수 있지만 집중해서 일을 해내려면 소리나 사람의 움직임으로부터 차단될 필요성이 도출되었고 집중영역과 협업영역을 분리하고 둘 다 쉽게 액세스 할 수 있도록 상위층에 팀 공간, 하층에 집합공간을 설계했다"고 Google의 부동산 및 직장서비스 담당 부사장인 데이비드 래드클리프 씨는 소개했습니다.

그런데 설계 당시 전파통신의 용이성은 고려되지 않았던 탓인지 로이터의 취재에 응한 구글의 관계자 6명은 Wi-Fi의 접속불량이나 불안정한 접속에 시달리고 있다고 토로했습니다.

특히 공동 작업공간에서는 노트북을 들고 다니며 일하기가 어렵고 안정된 인터넷 연결을 얻기 위해 책상에 이더넷 케이블을 마련하거나 스마트폰의 Wi-Fi 테더링을 사용하는 사람도 있다는 것.

구글은 주 3회는 직장에 출근하는 것을 추진하고 있는데 직장의 불안정한 Wi-Fi에서는 일이 되지 않는다고 합니다. Bay View의 한 AI 엔지니어는 “세계를 선두하는 인터넷 기업이라면 분명 이런 문제는 해결했을 것”이라고 비판했습니다.

Google 홍보담당자는 Bay View의 Wi-Fi 연결에 문제가 있음을 인정하고 "이 문제를 해결하기 위해 이미 몇 가지 개선을 수행했고 앞으로 몇 주 이내에 해결될 것"이라고 답했습니다.

Google의 직장관리자는 직원에게 야외를 산책하거나 Wi-Fi 전파가 강한 이웃 카페에 갈 것을 권장했고 더 강력한 Wi-Fi 칩을 탑재한 새로운 노트북을 지급받은 사람도 있다고 합니다.

'직각 삼각형의 빗변을 변으로 하는 정사각형의 넓이는 두 직각변을 각각 한 변으로 하는 정사각형 넓이의 합과 같다'는 3평방의 정리는 '피타고라스의 정리'라고도 불리며 고대 그리스의 피타고라스가 발견했다는 일화가 남아 있습니다. 그러나 피타고라스가 태어나기 1000년 이상 전에 바빌로니아에서 만들어졌다는 점토판에 3평방의 정리에 대해서 기록되어 있는 것이 밝혀졌습니다.

The Pythagorean Theorem was discovered by the Babylonians 1000 years before Pythagoras was born
https://www.voxnews.al/english/histori/teorema-e-pitagores-ishte-zbuluar-nga-babilonasit-1000-vjet-perpara-se-p-i49543

Pythagorean Theorem Found On Clay Tablet 1,000 Years Older Than Pythagoras | IFLScience
https://www.iflscience.com/pythagorean-theorem-found-on-clay-tablet-1000-years-older-than-pythagoras-70934

'삼평방의 정리'란 직각 삼각형에서 사변의 길이를 c, 직각을 사이에 두는 2변의 길이를 a, b로 하면 a²+b²=c²라는 등식이 성립된다고 것으로, 고대 그리스 수학자 피타고라스의 이름을 따 '피타고라스의 정리'라고 명명되었습니다.

그러나 피타고라스가 태어난 기원전 570년경보다 1000년 이상 거슬러 올라가는 기원전 1770년경에 기록된 고대 바빌로니아의 점토판 'IM 67118'에는 삼평방의 정리를 이용해 직사각형의 안쪽의 대각선 길이를 밝히고 있었다는 것이 명시되어 있었습니다. 데이터 과학자인 블루스 라트너 씨는 이 점토판이 교육에 사용되었을 것으로 추정했습니다.

또 기원전 1800년~기원전 1600년경에 만들어졌다는 다른 점토판에는 대각선이 그려진 정사각형이 기록되어 있었고 표식도 첨부되어 있었습니다. 고대 바빌로니아에서는 60진법이 이용되고 있기 때문에 이러한 표식을 밝혀내면 고대 바빌로니아의 수학자가 삼평방의 정리나 그 외의 고도의 수학적 개념을 이해하고 있었던 것을 알 수 있다고 합니다.

라트너 씨는 “고대 바빌로니아에서 삼평방의 정리가 이해되고 있었던 것은 틀림없는 사실로, 고대 바빌로니아인은 정사각형의 대각선의 길이와 빗변의 길이의 비가 1:1:√2가 되는 것을 알고 있었던 것 같다.”고 보았습니다.

피타고라스가 크로토네에 설립한 피타고라스 교단에서는 거기서 배운 지식이나 발견된 지식에는 피타고라스에 대한 경의를 담아 피타고라스의 이름을 덧붙었고 후세에 계승되었습니다.

한편 비밀주의를 중시하는 피타고라스 교단에서는 구전에 의한 계승이 이루어졌기 때문에 피타고라스의 원전은 거의 남아 있지 않습니다. 그러므로 피타고라스가 실제로 삼평방 정리를 만들었는지는 분명하지 않습니다. 그래도 피타고라스 교단은 피타고라스의 정리라는 이름을 보급하여 그 이름은 현대에서도 계승되고 있습니다.

1945년 8월 6일 히로시마에 투하된 원자폭탄은 16만 명 이상의 사망자를 낸 괴멸적인 피해를 낳았을 뿐만 아니라 방사선에 의한 암 발생률 상승 등 다양한 영향을 끼쳤습니다. 프랑스의 파리 시테 대학의 물리학자인 네이선 애셋 연구팀이 히로시마만에서 실시한 조사에서 원폭에 의해 형성된 새로운 물질 '히로시마 글래스'를 발견한 것으로 보고되었습니다.

Condensation of fallout glasses in the Hiroshima nuclear fireball resulting in oxygen mass-independent fractionation - ScienceDirect
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X23004867

Hiroshima fallout debris linked to first solar system condensates
https://phys.org/news/2024-02-hiroshima-fallout-debris-linked-solar.html

1945년 8월 6일에 히로시마시 상공 580m에서 터진 원폭은 반경 260m의 범위에 약 1000만도, 100만 기압의 플라즈마 화구로 모습을 바꾸어 지상에 6287℃의 열파를 일으켰다고 생각되고 있습니다.

폭발 후 단 0.35초 후 화구의 압력은 주변 대기의 압력에 따라 급격히 감소했고 10초 이내에 온도는 1726℃~1226℃로 떨어졌다고 합니다. 그 결과 폭발 직후 0.5초에서 2초 사이에 콘크리트나 철과 알루미늄의 합금, 공업용 유리와 토양이 순간적으로 기화되어 모래나 하천의 물, 대기와 혼합되어 다양한 유리가 만들어졌습니다.

연구팀은 히로시마만에서 발견된 94개의 히로시마 글래스를 분석해 이산화규소나 고산화칼슘, 산화마그네슘으로 이루어진 황장석과 산화알루미늄 함유량이 높고 철을 포함한 백립암, 이산화규소나 산화나트륨이 풍부한 소다 석회, 거의 이산화규소로 구성된 물질 등 원폭에 의해 형성된 것으로 보이는 4종류의 글래스를 특정했습니다.

또한 연구팀은 발견된 이산화규소의 동위원소 조성을 측정한 결과 먼저 황장석으로 이루어진 유리가 형성되고 그 후 백립암, 소다 석회, 순수한 이산화규소의 순서로 형성되었다는 것이 밝혀졌습니다.

연구팀에 따르면 이러한 물질의 형성에는 원폭의 의해 생긴 약 720~3000℃의 화구 내에서의 급격한 응축이 관련되어 있다고 합니다. 이 응축과정은 'CAI'라고 불리는 성간먼지와 성간가스의 증발에 의해 원시 태양계 원반에서 최초로 응축된 알루미늄과 칼슘이 풍부한 고체의 형성 공정과 매우 유사하다고 생각됩니다.

실제로 히로시마 글래스 내의 이산화규소의 동위원소 조성은 CAI의 조성 범위 내인 것이 밝혀졌으며 히로시마 글래스가 형성된 환경은 CAI의 형성환경과 다르지만 연구팀은 기체에서 고체로 변화하는 히로시마 글래스의 형성과정을 이해함으로써 태양계의 기원과 후속 물질의 형성과정에 대해 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

축구경기 중 달리고 있는 아군에게 공을 바운드시키지 않고 패스를 하는 순간을 떠올려 보면 지금 보이고 있는 상대의 위치에 패스를 하면 그 사람은 달리고 있으므로 볼은 그 사람의 뒤에 떨어집니다. 따라서 패스를 할 때는 그 사람의 앞쪽으로 걷어차야 합니다.

이번에는 회전하는 디스크 위에 서로 멈춘 상태에서 패스를 하는 것을 생각해 봅시다. 예를 들어 디스크가 반시계 방향으로 회전할 때 상대방을 향해 볼을 걷어차면 공은 A점에서 B점을 향해 똑바로 날아갑니다. 그러나 원반이 회전하고 있기 때문에 차는 사람은 A'점으로 움직이고 받는 사람은 B'점으로 움직입니다. 이 때문에 걷어차는 사람 관점에서 상대가 왼쪽으로 움직이고 있기 때문에 볼은 받는 자의 우측에 떨어집니다. 걷어차는 사람은 볼이 오른쪽을 향해 힘을 받고 날아간 것처럼 보입니다.

이와 같이 반시계 방향으로 회전하는 원반 위에서 움직이는 물건은 그 위에 있는 사람으로부터 보면 오른쪽 방향의 힘이 작동하고 있는 것처럼 보입니다. 이 겉보기의 힘을 '코리올리의 힘이라고 합니다.

지구는 끊임없이 반시계 방향으로 회전합니다. 이 때문에 지구상에서 움직이는 것은 모두 코리올리의 힘을 받고 있으며 지구상에 있는 사람으로부터 보면 북반구에서 움직이는 것은 모두 오른쪽으로 움직이는 것처럼 보입니다.

공기의 흐름도 코리올리의 힘을 받고 있습니다. 따라서 상공에서는 기압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 움직이려고 하는 힘(기압 경도력)과 코리올리의 힘이 균형을 이루고, 공기의 흐름은 등고도선(등압선)과 거의 평행하게 불어옵니다. 즉, 북반구에서는 고도가 높은 쪽을 오른쪽으로 보는 공기의 흐름이 되어 한국이 있는 위도대에서는 북쪽으로 갈수록 고도가 낮기 때문에 한국의 상공에서는 서쪽의 바람이 불어옵니다. 지상에서는 지구의 표면과 공기의 마찰력이 바람을 약하게 하도록 작용하기 때문에 기압이 낮은 쪽을 향해 공기가 흐릅니다. 북반구의 지상에서는 기압이 높은 쪽을 오른쪽으로 하면 바람은 왼손 앞쪽으로 불어옵니다.
　
지구상에서 움직이는 모든 것에 코리올리의 힘이 작용하지만 그 영향을 알 수 있는 것은 움직이는 거리가 큰 경우뿐입니다. 공을 골을 향해 걷어차지만 조금 구부러져 골이 되지 않았다는 경우도 있지만 코리올리의 힘의 영향이 아닙니다. 공이 날아갈 거리 정도에서는 코리올리의 힘의 영향은 한없이 제로에 가까우며 공이 구부러져 날아가는 것은 다른 원인입니다. 야구로 장외로 날아가는 듯한 타구나 날아가는 골프공도 코리올리의 힘의 영향은 한없이 제로에 가까워 타구가 구부러지는 원인은 다른 것입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- コリオリの力
https://www.bioweather.net/column/weather/%E3%82%B3%E3%83%AA%E3%82%AA%E3%83%AA%E3%81%AE%E5%8A%9B/

레이저광을 사용하여 물체의 온도를 낮추는 기술로 반입자로 만들어진 exiotic atom인 포지트로늄을 냉각하는 데 성공했다는 연구결과를 도쿄대학과 유럽 원자핵 연구기구(CERN)의 연구팀이 잇따라 발표했습니다. 반물질계의 속도를 떨어뜨려 보다 상세하게 연구할 수 있게 되는 이 성과는 우주의 시작에 관한 장대한 탐구부터 마이크로의 세계를 밝히는 양자역학에 이르기까지, 폭넓은 분야의 연구에 도움이 될 가능성이 있다고 합니다.

Phys. Rev. Lett. 132, 083402 (2024) - Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.083402

AEgIS experiment paves the way for new set of antimatter studies by laser-cooling positronium | CERN
https://home.cern/news/news/experiments/aegis-experiment-paves-way-new-set-antimatter-studies-laser-cooling

Breakthrough: Positronium Cooled By Laser in a World First : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/breakthrough-physicists-cooled-antimatter-to-near-absolute-zero-for-the-first-time

포지트로늄은 음전하를 가진 전자와 그 반대인 양전자로 만들어진 원자입니다. 또한 포지트로늄과 반양성자가 부딪히면 포지트로늄의 양전자와 반양성자가 결합되어 반수소가 생성됩니다.

그 때문에 포지트로늄은 반물질의 성질을 조사하는 실험에 최적인데 매우 불안정하기 때문에 불과 1420억 분의 1초로 소멸해 감마선이 되어 버립니다. 게다가 입자구름 속에서 생성된 포지트로늄은 다양한 속도로 날아가므로 위치를 확인하는 것도 어렵습니다.

이 문제의 해결책 중 하나는 레이저로 입자의 운동량을 줄이고 온도를 낮추는 레이저 냉각기술입니다. 입자에 레이저를 가하면 광자가 흡수되어 에너지가 더해지지만 방출되어 에너지가 감소합니다. 이것을 반복하는 과정에서 통상 도달 불가능한 속도까지 입자를 감속시키는 기술을 통해 대상의 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있게 됩니다.

이번 CERN에서 실시되고 있는 AEgIS 실험의 연구팀은 폭넓은 속도분포를 타겟으로 하는 광대역 레이저 냉각을 사용해 포지트로늄의 온도를 380켈빈(약 106도)에서 170켈빈(마이너스 약 103도)까지 낮추는 데 성공했습니다. 연구팀은 향후 10켈빈의 벽을 돌파하는 것을 목표로 할 예정입니다.

또한 도쿄대학의 슈켄지 씨의 연구팀은 입자의 속도에 맞추어 레이저의 주파수를 조정하는 '챠프 냉각'이라고 불리는 레이저 냉각기술을 사용해 포지트로늄의 온도를 절대영도에 근접한 약 1켈빈(마이너스 약 272도)까지 낮추어 전자와 양전자의 전체적인 속도와 분포를 대폭 축소시켰습니다.

두 팀의 연구는 독립적이지만 이번 포지트로늄의 레이저 냉각에 관한 성과를 공유했으며 AEgIS의 팀은 미국 물리학회가 간행하는 사독 과학지 Physical Review Letters에, 도쿄대학의 연구팀은 프리프린트 서버 arXiv에 같은 날 논문을 게시했습니다.

반물질에는 많은 가능성이 숨겨져 있지만 그 중에는 우주의 성립에 관한 수수께끼도 있습니다. 빅뱅과 함께 우주가 형성되었을 때 우주에는 통상의 물질과 반물질이 같은 양이 만들어졌지만 현재의 우주는 대부분이 물질로 이루어져 있습니다. 이번에 확립된 냉각기술로 반물질의 거동을 상세하게 알 수 있다면 사라진 반물질의 행방을 추구하는데 큰 단서가 될지도 모릅니다.

과학자들은 또한 포지트로늄 보스 아인슈타인 응축체(BEC)를 만들려고 시도하고 있습니다. 보스 아인슈타인 응축이란 입자구름의 온도를 절대영도 가까지 식히면 하나의 거대한 소입자와 같이 거동하는 현상입니다. 포지트로늄의 BEC는 물질과 반물질의 소멸을 통해 coherence한 감마선을 방출하는데 이것은 원자의 기본적인 구조를 규명하는데 매우 강력한 도구가 됩니다.

CERN의 AEgIS 홍보담당자인 루젤로 카라비타 씨는 “반물질의 BEC로 연구자가 원자핵을 들여다볼 수 있는 coherence한 감마선광을 생성할 수 있게 되면 기초연구와 응용연구 모두에서 훌륭한 도구가 될 것"이라고 기대를 나타냈습니다.

Bartosz Ciechanowski 씨가 공개한 웹페이지에서는 날개 주위의 공기의 움직임을 애니메이션으로 표현했습니다.

Airfoil – Bartosz Ciechanowski
https://ciechanow.ski/airfoil/

차가 앞으로 나아갈 때 차에는 아래쪽으로 당기는 중력(파란색)과 차에 밀린 도로가 차를 위쪽으로 미는 힘(녹색), 앞으로 나아가는 힘(황색), 차에 밀린 공기가 차를 뒤로 밀어내는 힘(빨간색) 등이 작용하고 있습니다. 이때 상하의 힘이 균형을 이루고 앞으로 나아가는 힘이 뒤로 가는 힘을 웃돌고 있기 때문에 차는 앞으로 나아갈 수 있습니다. 아래의 그림은 힘의 균형을 간단히 나타낸 것으로 힘의 발생 위치는 올바르지 않습니다.

프로펠러 비행기가 앞으로 나아갈 때도 비행기를 아래쪽으로 당기는 중력(청색), 비행기를 위쪽으로 누르는 힘(녹색), 프로펠러로 앞으로 나아가는 힘(황색), 공기가 뒤로 밀어내는 힘(적색)이 작용하고 있는데 상하의 힘이 균형을 이루고 전방으로 나아가는 힘이 뒤로 미는 힘을 웃돌고 있기 때문에 추락하지 않고 고도를 유지한 채로 앞으로 나아갈 수 있습니다. 이때 비행기를 위쪽으로 밀고 있는 힘이 '양력'입니다. 양력은 어느 정도 자유롭게 조작 가능하기 때문에 양력을 중력보다 강하게 하면 기체의 고도가 상승하고 중력보다 약하게 하면 고도를 낮출 수 있습니다.

비행기의 날개를 바로 옆에서 보면 비행기는 오른쪽에서 왼쪽으로 가고 있습니다. 비행기가 앞으로 나아갈 때 날개에는 앞쪽에서 뒤쪽으로 공기가 부딪칩니다.

공기의 흐름과 날개 사이의 각도(영각)가 커지면 날개의 하부에 해당하는 공기와 상부에 해당하는 공기의 양에 차이가 생겨 날개의 하부는 고압으로, 상부는 저압이 됩니다.

영각이 상승하여 날개의 하부가 고압, 상부가 저압이 된 상태의 날개에 걸리는 공기의 힘을 나타내면 아래와 같습니다. 하향의 힘보다 상향의 힘이 커지고 있는 것을 알 수 있습니다. 이 기체를 위로 밀어 올리는 힘이 양력으로, 양력이 중력보다 커지면 비행기의 고도가 상승합니다.

Ciechanowski 씨가 공개하고 있는 페이지에서는 날개의 각도를 바꾸면서 양력의 변화를 확인하거나 공기의 흐름과 압력의 관계성을 관찰할 수 있습니다.

1952년 핵무기의 연구개발을 목적으로 설립된 미국 캘리포니아주 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)에서는 밤낮으로 핵융합 실험 등이 진행되고 있습니다. 그런 LLNL이 1990년대에 일어난 연쇄살인 사건의 해결에 중요한 역할을 한 것을 해외 언론인 Undark Magazine 씨가 소개했습니다.

How a Nuclear Weapons Lab Helped Crack a Serial-Killer Case
https://undark.org/2024/02/09/wilo-serial-killer-nuclear-lab/

1989년부터 캘리포니아의 글렌데일 어드벤티스트 메디컬센터에서 호흡요법사로 근무하기 시작한 에프렌 살디버 씨는 사건 당시 말기 환자의 케어를 맡았습니다.

그런 살디버 씨가 1998년에 환자가 빨리 죽는 것을 도왔다는 보도가 나왔습니다. 보도에 의하면 살디버의 동료에 의해 글렌데일 어드벤티스트 메디컬센터에 그가 '마법의 주사기'를 가지고 있다는 고발이 있었다고 합니다.

보도를 받고 현지 경찰은 살디버 씨를 소환하여 심문을 실시했습니다. 경찰에 의한 심문 속에서 살디버 씨는 1989년부터 1997년에 걸친 수십 건의 살인을 자백했습니다. 살디버는 “근육 이완제로 사용되는 브롬화 판쿠로늄과 염화석사메토니움을 환자에게 과다 복용시켜 독살했다”고 증언했고 곧 체포되었습니다.

그러나 살디버의 자백을 뒷받침하기 위한 물적 증거를 찾아내는 것은 매우 어려웠고 만약 물적 증거가 발견되지 않으면 경찰은 살디버를 증거 불충분으로 석방해야 합니다.

그래서 수사관들은 사망한 피해자의 체내에서 브롬화 판쿠로늄과 염화석사메토니움이 발견될지도 모른다고 보았으나 사망 후 상당한 시간이 경과한 피해자의 체내에서 휘발성 화학물질을 찾아내는 작업은 매우 어려웠습니다.

수사관들은 미국 법의학 아카데미에 도움을 요청했고 LLNL을 소개받았습니다. LLNL에서는 핵무기 연구를 실시하는 것 외에 국가안전보장을 위해 화학무기나 생물무기, 방사성물질, 핵물질, 폭발물, 테러공격이나 유해폐기물처리장 등에서 사고시 나타나는 물질에 관한 법의학 연구도 합니다.

LLNL의 이러한 연구부문은 "마지막 연구소"라고도 불리며 때로는 특별한 사건을 수사하는 데 도움이 되었습니다.

LLNL에 의한 분석을 위해 로스앤젤레스 카운티 검시청은 살디버 씨에 의해 살해된 것으로 보이는 20명의 시신을 무덤에서 파냈습니다. 살디버 씨가 독으로 사용했다는 염화석사메토니움은 일반적으로 과잉섭취하면 근육이 이완하는 특성이 있고 곧바로 일반적인 화합물로 변화해 버립니다. 따라서 사망 후 수년이 지난 피해자의 체내에서 염화석사메토니움이 발견될 가능성은 낮다고 LLNL은 추측했습니다.

이에 LLNL은 브롬화 판쿠로늄에 눈을 돌렸고 조직샘플을 완충액과 혼합하고 용액 중에서 균일하게 저어서 균질화시켜 분석을 실시하는 새로운 방법을 개발했습니다.

크로마토그래피 및 분광법을 이용한 일련의 테스트 결과, 20개 샘플 중 6개 샘플로부터 브롬화 판쿠로늄이 발견되었습니다. LLNL의 법의학자인 브라이언 안드레센 씨는 "브롬화 판쿠로늄으로 보이는 화합물이 발견되었을 때 매우 놀랐다”고 당시를 떠올렸습니다.

LLNL에 의해 증거가 발견되어 2001년 4월 5일 살디버 씨에게 가석방 없는 종신형이 선고되었습니다. 재판에서는 검찰은 사형을 구형하지 않았습니다. 그 요인으로는 새로운 과학적 프로토콜을 이용하여 수사를 실시한 것에 의한 불확실성과 피고측의 상고에 의해 재판이 장기화되어 재판비용이 부과될 가능성을 피한 것으로 보입니다.