제임스웹 우주망원경은 지구에서 1350광년 떨어진 오리온 자리에 위치한 산광성운 '오리온 대성운'의 내부 영역을 포착했습니다. 이미지는 탄화수소, 분자가스, 먼지, 산란성광 등의 발광을 복수의 필터를 이용하여 합성한 것입니다.
by NASA
가장 눈에 띄는 것은 이미지 왼쪽 상단에서 오른쪽 하단에 걸쳐 띠 모양으로 이어진 고밀도 가스로, 중앙에 보이는 가장 밝은 별은 'θ2 Orionis A'라고 불리는 젊은 별입니다. θ2 Orionis A의 왼쪽 상단에 위치한 흐릿한 빛은 항성의 '아기'라는 것. 가스나 먼지가 밀집한 구름은 중력이 불안정해지면 붕괴되어 이런 모습이 되어 서서히 질량을 늘려 핵융합을 일으켜 빛나기 시작한다고 합니다.
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오른쪽 상단에 위치한 고치같은 것은 주변에 가스와 칠레의 원반을 휘감는 별입니다. 이 원반은 성단이 가진 강한 방사선장에 의해 소멸 혹은 광증발하며 고치로 보이는 가스의 덩어리를 만들어 내고 있다고 합니다. 이러한 별은 오리온 대성운에만 180개 가까이 확인되고 있어 사진에 찍힌 'HST-10'이라 불리는 별은 그 중에서도 최대급의 것. 사진 하단에 'The orbit of Neptune'이라는 둥근 테두리는 반경 45억km인 해왕성의 공전궤도를 나타냅니다.
by NASA
참고로 같은 영역을 허블우주망원경으로 촬영한 사진(왼쪽)과 비교하는 이미지도 공개되었습니다. 제임스웹 우주망원경은 보다 고정밀한 적외선 비전을 가지고 있어서 두꺼운 먼지층에서 어두운 별을 찾아내는 것이 가능하다고 합니다.
철은 자동차나 빌딩, 다리, 다양한 기계에 사용되고 있다. 우리의 문명에서 철이 바꿀 수 없는 존재이다. 철은 저렴하면서도 높은 강도를 갖고 있어 건축물과 기계의 구조를 지지하는 소재로 널리 사용되고 있다. 또한 철은 자성이라는 특수한 성질을 갖기 때문에 수많은 전자제품에서 이용되고 있으며 발전소에서는 이 특성을 이용하여 전기가 만들어지고 있다. 철은 현대 문명을 근간에서 지지하고 있고 미래에도 그 지위는 흔들리지 않을 것이다.
근대에 있어서 철을 확보하는 것은 국가의 전략적으로도 중요한 자리매김에 있었다. '철은 산업의 쌀'이라는 말처럼 경제나 산업의 발전, 문명끼리의 충돌 등에 있어서 철이 중요한 역할을 해 온 것은 잘 알려진 사실이다. 두 번의 세계대전이나 그 후의 역사에서만 적용되는 것은 아니다. 인류의 생활은 산업혁명에 의해 크게 변화했지만 거기에서도 철은 기폭제라고 할 수 있을 정도로 중대한 역할을 했다. 예를 들어 철을 대량으로 공급할 수 있었기 때문에 증기기관으로 대표되는 신형기계가 태어났고 철의 특성이 이해되었기 때문에 전기에너지를 이용할 수 있게 되었다고 할 수 있다. 즉 기계에 의한 효율화와 전기문명의 발전이라는 인류의 생산성과 생활을 크게 변화시킨 산업혁명의 2대 요소는 철의 이용에 근거하고 있다.
이러한 발명은 당시 유럽에서 진행된 과학기술이 있어야만 가능했는데 왜 유럽에서 특히 과학기술이 발달해 왔는가를 살펴보면 훨씬 전부터 문명끼리의 충돌을 반복하여 생존해왔다는 역사의 귀결이라는 견해가 있다. 여기서 총이나 대포, 철제선박의 건축이 완수한 역할은 말할 필요도 없지만 그보다 이전의 고대문명에서도 철기의 이용이 농경의 효율을 현격히 향상시켜 생산성 개선으로 이어졌고 사회를 안정화시켜 과학기술이나 발명을 촉구한 것으로 생각되고 있다. 또한 철을 사용한 무기를 재빨리 이용할 수 있었던 문명은 다른 문명과 대항하는데 우세를 유지할 수 있었다. 즉 산업혁명 이전에도 문명을 유지하고 확대하는데 있어서 철은 본질적인 일을 한 것이다. 따라서 인류사 전반에 있어서 철의 유효적 이용이 인류의 진보에 중요한 역할을 해왔다고 할 수 있다.
우리 인간의 몸에서도 철의 존재는 필수이다. 우리의 혈액이 붉은 이유는 적혈구가 붉기 때문이며 그 안에 포함된 헤모글로빈이 그 원인이다. 헤모글로빈은 철을 중심으로 한 구조를 가지고 있으며 호흡을 통해 흡수한 산소를 몸 구석구석까지 운반하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 그리고 운반된 산소를 사용하여 몸의 구석구석에 에너지가 만들어지는데 거기에서도 철이 중요하다. 우리의 활동의 기초가 되는 에너지는 철을 사용하여 만들어진다. 철이 없으면 우리는 살 수 없다. 철은 인간에게 있어서 그만큼 중요한 원소이다.
철의 생물학적 중요성은 인간에게 한정된 이야기가 아니다. 실은 현재 지구의 거의 모든 생물에 있어서 철은 필수적인 원소이다. 호흡, 광합성, DNA 합성, 질소 고정과 같은 생명체에 필수적인 몇 가지 기능에서 철은 중심적이고 필수적인 역할을 한다. 철이 없으면 지구상의 생명체 대부분은 살아갈 수 없다. 생물 전반에 있어서도 철은 바꿀 수 없는 존재인 것이다.
우리 지구생명체가 지표면에서 쾌적하게 생활할 수 있는 이유는 철이 대량으로 지구에 존재하기 때문이다. 생명에게는 우주로부터의 유해한 방사선은 매우 위험한 것이지만 지표면에 위험한 레벨로 도달하지 않는 것은 지구의 자기장 덕분이다. 그리고 이 자기장은 지구 내부에 존재하는 철의 일부가 용융되어 전류가 흐르기 때문에 형성되어 있다. 즉 지구 내부의 대량의 철이 지구의 표층을 생명에게 있어 안전한 환경으로 바꾸고 있다고 말할 수 있다. 그 덕분에 생명체가 지표 부근에서 활동할 수 있게 되었고 이러한 생물에 의한 광합성은 지구 대기의 분자상의 산소량을 증대시켜 표층환경을 현저하게 변화시켰다. 이 지구 규모의 환경변화의 화석이야말로 현대에 있어서 철광상으로서 주로 사용되고 있는 줄무늬상 철광상이다.
철은 얼마나 많을까? 야산을 걷고 있어도 철은 볼 수는 없기 때문에 철이 그렇게 대량으로 지구에 존재하고 있다고 들어도 의아하게 생각될지도 모른다. 그 이유는 지구의 철의 대부분이 지구의 중심부에 집중되어 존재하기 때문에 우리가 평소에는 볼 수 없을 뿐이다. 놀랍게도 지구를 구성하는 원소 중에서 가장 큰 중량비를 갖는 것은 철이다. 지구의 무게의 1/3은 철이다. 유리 가가린의 유명한 말에서 지구는 물의 행성이라고 표현하는데 이것은 지구 표면의 70%를 물이 덮고 있는 사실을 중시한 말로 무게로 보면 지구는 '철의 행성'이다.
그러면 철의 행성은 어떻게 형성되었을까? 최근의 연구에서 태양과 같은 항성이라도 그 주위에 행성이 항상 형성되는 것은 아니라는 것을 알았다. 태양계가 아닌 곳에서 지금까지 많은 행성이 발견되었고 지구와 같은 행성이 형성되기 위해서는 적절한 양의 금속이 필요하다는 것을 알게 되었다. 즉 인류가 살 수 있는 지구와 같은 행성이 형성되기 위해서는 철이 존재하고 있을 필요가 있다고 생각된다.
우주에는 철이 얼마나 존재할까? 우주의 원소 존재도가 자세히 조사되었으므로 이 질문에 대한 대답에는 상당한 확실성이 있다. 놀랍게도 다른 원소의 상대량과 비교하면 철은 특이적으로 많이 존재하고 있다. 우리가 사는 이 우주 전체에서 원래 철은 특이한 존재인 것이다.
이와 같이 우주, 지구, 생명, 인류의 역사를 생각하면 다양한 측면에서 철이 중요한 역할을 해왔다는 것을 알 수 있다. 그리고 그 철이란 우주에서 특수한 지위를 차지하는 것이다. 이것은 단지 우연이 겹쳤을 뿐인가, 아니면 어떤 필연성이 있는가? 이 질문에 대한 열쇠는 철 원자핵의 안정성이라고 추정된다. 철은 모든 원소 중에서 가장 원자핵이 안정되어 있다. 니켈의 특수한 동위체를 제외하고 양성자와 중성자와 같은 핵자간의 연결이 가장 강하다. 따라서 항성 내부에서 원소가 핵융합을 반복하고 원자번호가 큰 무거운 원소가 만들어져도 철보다 무거운 원소는 형성되지 않는다. 즉 항성 내부의 핵융합의 최종 결과물은 철인 것이다. 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발 등 다른 요인으로 만들어지지만 그 양은 철을 넘지 않는다. 이것은 우주에서 철의 존재도가 높은 것을 무리없이 설명할 수 있다. 그리고 그 철이 많이 모인 천체가 지구일 것이다. 더욱이 철은 안정된 원자핵을 갖기 위해 26개라는 많은 양성자를 획득했고 균형을 잡기 위해 26개의 전자를 갖게 되었다. 여기서 전자는 마음에 드는 궤도를 취해 원자핵 주위에 존재할 수 있는 것은 아니다. 철이 가지는 26개의 전자의 일부는 M껍질이라고 불리는 곳(특히 3d궤도)에 어중간한 형태로 받아들여진다. 이것이 안정적인 에너지 상태가 여러 개 존재할 수 있는 등 철이 물리화학적으로 중요한 특징을 나타내게 된 원인이다. 그 특징을 최대한 이용한 것이 생명체이고 인류일지도 모른다.
정리하면 철은 가장 안정한 원자핵을 가진 특이한 원소이기 때문에 우주에서의 존재도가 상대적으로 높아졌다. 그 철이 어느 정도 모였기 때문에 지구라는 별이 태어났다. 철은 지구 심부에서 용융하여 자기장을 만들고 그 덕분에 표층의 생명체에게 안전한 환경이 되었다. 생명체 대부분은 철이 그 원자핵에 대응하여 가지는 독특한 물리화학적 성질에 의존하고 있다. 철에 의존한 생명체의 한 종류인 인류는 그 물리화학적 성질을 발전시켜 현대문명을 쌓아 올린 것이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 鉄―137億年の宇宙誌 https://www.um.u-tokyo.ac.jp/exhibition/2009Fe_description.html
2015년 노벨 물리학상은 '뉴트리노 진동'을 관측한 도쿄대학 우주선연구소 소장인 카지타 다카아키 씨와 캐나다의 Queen's University, Director of Sudbury Neutrino Observatory Institute(SNO)의 Arthur Bruce McDonald 씨가 수상했다.
중성미자 관련으로 노벨 물리학상은 이번이 세 번째다. 1번째는 1995년 원자로에서 방출되는 중성미자를 실험적으로 검출한 연구자가 수상. 2번째는 2002년 태양과 초신성 1987A에서 방출된 중성미자의 관측에 성공한 연구자가 수상했다.
그럼 이 중성미자는 도대체 무엇인가. 1990년 당시 도쿄대학 우주선연구소 교수였던 토츠카 요지 씨는 '전하가 없는 전자와 같은 것'이라고 강연회에서 설명했다. 질량은 없거나 있다고 해도 매우 작아 1990년 시점에서는 전자 중성미자는 16전자볼트(eV) 이하(1eV는 1.78×10 -36kg)인 것밖에 알지 못했다.
약간 전문적인 설명에서는 전자와 전자 중성미자(νe)의 차이는 '약 아이소스핀'이라는 양자수의 차이로 이해되고 있다. 양성자와 중성자의 차이는 아이소스핀의 차이로 설명할 수 있다. 그러나 질량의 경우 양성자와 중성자는 거의 같지만 전자와 νe는 크게 다르다. 현시점에서도 중성미자의 질량은 명확하지 않고 νe의 경우에 제로 이상, 2.5eV 이하로 밖에 알 수 없지만 전자의 질량은 0.51MeV로 νe의 25만 배 이상 크다.
중성미자는 태양에서 대량으로 방출되어 지금도 우리 몸을 계속 관통하고 있다. 지구상에는 초당 1cm^2당 680억 개의 중성미자가 쏟아지고 있다. 그럼에도 불구하고 우리 몸에 부정적인 영향은 없다. 거의 물질과 충돌하지 않기 때문이다. 마치 유령같은 존재로 관측이 매우 어렵고 활용 방법도 거의 없다. 그런데 이 무해한 입자 없이는 현대 물리학이 성립하지 않은 입자이기도 하다. 중성미자가 발견되지 않았다면 물리학은 20세기 초의 혼란으로 끝났을지도 모른다.
그 중요성을 이해하기 위해서는 우선 물리학이란 무엇인지 설명할 필요가 있다. 굳이 난폭하게 말하면 물리학이란 에너지 보존 법칙이 유지되고 있다는 것을 확인하는 작업이라고 할 수 있다. 에너지 보존 법칙이란 에너지는 세상에 여러 가지 형태로 존재하고 언뜻 서로 관계가 없는 것처럼 보이지만 실은 서로 갈아타는 방식으로 전체적으로는 전혀 늘어나거나 줄어들지도 않고 있다는 것이다. 그 확인 작업의 결과 빛이나 열의 에너지, 달리는 자동차나 비행하는 비행기의 에너지, 전력, 진공의 에너지 심지어 공간 그 자체까지 각각 같은 에너지의 한 형태에 불과하다는 것을 알고 있다. 아인슈타인이 발견한 유명한 공식 E=mc^2도 질량이 에너지의 한 형태임을 보여준 것으로 중요한 확인작업 중 하나였다고 할 수 있다.
물리학의 여명기는 연구한 결과로 에너지 보존 법칙의 정확성을 확인했다. 그런데 언제부터 에너지 보존 법칙을 믿는 것이 물리학자라는 증거처럼 되었다. 에너지 보존 법칙을 의심하는 학설을 발표하면 그는 더 이상 물리학자가 아니라고 비판받는 것이다.
그런데 1914년 이 에너지 보존 법칙을 의심할 수밖에 없는 현상이 발견되었다. 방사성 탄소원자 6C14가 질소원자 7N14로 변함과 동시에 전자 e-를 방출하는 현상이 상세히 조사되었다. 즉 6C14 → 7N14 + e- 라는 변화가 관측된 현상이다. C나 N의 좌변의 숫자는 그 원자의 양성자수, 우변의 숫자는 중성자도 합한 질량수를 가리킨다. 이 전자 e-는 β선, 현상은 'β붕괴'라고 한다. β붕괴는 나중에 중성자 n이 전자 중성미자 νe와 충돌하여 양성자와 전자로 바뀌는 n + νe → p+ + e- (n과 νe 각각의 약 아이소스핀이 변환되고 p+ 와 e-가 된다) 현상이 그 에센스인 것을 알고 있다.
하지만 당시에는 νe는 알려져 있지 않았고 관측도 할 수 없었다. 한편 이미 아인슈타인의 E=mc^2는 알려져 있었고 에너지 보존 법칙에서는 6C14와 7N14 각각의 질량차에 상당하는 에너지가 전자 e-의 운동에너지가 될 것으로 예상되었다.
그런데 실험결과는 그렇게 되지 않았다. 전자 e-의 운동에너지는 분명히 예상보다 부족했고 게다가 실험마다 다양한 값을 나타냈던 것이다. 즉 β붕괴에서는 에너지 보존 법칙이 전혀 성립되지 않는 것으로 보였다. 게다가 운동량 보존 법칙도 성립되지 않았다.
이것은 15년 정도 동안 물리학자들 사이에서 큰 논쟁이 되었다. 그 가운데 저명한 물리학자 보어(Niels Henrik David Bohr)가 마침내 '원자핵과 같은 미시세계에서는 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙은 성립되지 않는다'는 학설을 발표했다. 물리학의 큰 위기였다.
이 혼란을 수렴시킨 인물이 파울리(Wolfgang Pauli)이다. 그는 1930년 β붕괴 시에 관측할 수 없는 전기적으로 중성의 미립자가 전자 e- 와 함께 방출되는데 그것을 고려하면 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙이 성립되고 있다고 생각했다. 그 입자가 '반 뉴트리노'이다(β붕괴의 좌변에 이항하면 중성미자가 된다). 즉 중성미자 '발견'의 경위는 에너지 보존 법칙을 구하기 위한 노력이었다.
물리학에서는 이론의 약점을 메우는 '새 입자'를 생각하는 것을 새로운 입자를 예언했다는 식으로 취급하는 경우가 많다. 다만 많은 경우에는 새로운 입자는 질량이나 성질이 한정되어 있고 관측에서 그 존재를 검증할 수 있다는 전망이 있다. 그런데 중성미자의 경우는 파울리 자신이 관측할 수 없다고 전제를 해 버렸다. 어떤 의미에서 설명을 신에게 맡기는 것과 같으며 물리학에 있어서는 금물에 가깝다. 자연현상을 솔직하게 믿은 보어를 비난할 수 없다.
다만 운 좋게도 그 후 수많은 종류의 입자의 붕괴현상을 조사하는 동안 각각의 경우에서 중성미자의 존재를 인정하는 편이 다양한 현상을 통일적으로 이해할 수 있다는 것을 알았다. 물리학에서 이론은 적용 가능한 대상이 많을수록 확실한 이론으로 간주된다. 따라서 중성미자는 단순한 협조에서 소립자물리학의 근간으로 승격했다.
그 중에서 위에서 소개한 β붕괴로 전자와 바뀌는 중성미자는 '전자 중성미자(νe)', 뮤온과 바뀌는 중성미자는 '뮤온 중성미자(νμ)' 타우와 바뀌는 중성미자는 '타우 중성미자(ντ)'라고 불리게 되었다.
그리고 1956년에는 실험적으로 중성미자의 존재가 확인되었다. 중성미자 하나하나는 다른 물질과의 충돌확률P이 매우 작지만 P는 0이 아니다. 그 때문에 방대한 수 N개의 중성미자를 조사하면 관측할 수 있는 기대치 NP를 1에 가깝게 할 수 있다. 이것이 1995년 노벨 물리학상으로 이어진다.
여기까지는 중성미자들이 에너지 보존 법칙, 즉 물리학을 구한 이야기였다. 그런데 중성미자의 관측이 가능하게 되어 곧 1960년대 이후 그것과는 반대로 중성미자들이 물리학의 표준이론의 존립을 뒤흔드는 존재가 되어 버렸다. 그것이 '태양 중성미자 문제'이다.
표준이론에서는 태양 중심에서 일어나는 핵융합 반응을 모두 설명할 수 있으며 그 반응률로부터 태양으로부터 방출되는 중성미자의 양도 상당히 엄격하게 계산할 수 있다. 그런데 실제로 태양에서 지구상에 도달하는 중성미자를 관측해 보면 이론치의 약 27%밖에 관측할 수 없었던 것이다.
이를 관측한 것은 미국의 천문학자였지만 당초 다른 연구자들로부터 '무언가의 실수일 것'이라고 밖에 생각되지 않았다. 초기의 중성미자 관측장치였기 때문에 중성미자가 오는 방향이나 에너지 분포 등을 알 수 없었다. 한편 관측결과를 인정하면 표준이론에 대한 영향이 크다. 이런 점에서 사실상 보고 보지 않는 척을 하고 있던 것 같다.
이 상황을 바꾼 것이 당시 도쿄대학 교수였던 오시바 마사토시 씨와 토츠카 요지 씨 등이 었다. 오시바 씨 연구팀은 양성자의 붕괴를 조사하기 위해 기후현 가미오카 광산의 지하에 관측시설 카미오칸데를 건설해 1983년에 운용을 시작했다. 양성자는 존재하는 입자(정확하게는 바리온) 중에서 가장 수명이 긴 입자이지만 표준이론에서는 그 수명을 명확하게 계산할 수 없다. 이 수명을 측정할 수 있으면 표준이론의 검증에 도움이 된다는 것이 동기였다.
당시 양성자의 평균 수명 추정은 10^32년 정도로 우주의 연령이 138억 년(약 10^10 년)이기 때문에 양성자의 평균 수명은 우주연령의 10^22배(1조의 10억배, 혹은 1경의 100만배)나 길다. 그런데도 엄청난 수의 양성자 중에는 짧은 시간에 붕괴되는 것이 있어야 하고 그것을 관측하려고 했던 것이다. 그런데도 매우 낮은 붕괴확률로 인해 양성자 붕괴의 관측은 성공하지 못해 관측장치의 존재가 의심받는 상황이 될 수 있었다.
그런 배경 속에서 카미오칸데는 그 본래의 목적과는 다른 곳에서 활약하기 시작했다. 카미오칸데에서 양성자 붕괴를 검출하는 원리는 기본적으로 중성미자를 검출하는 원리와 거의 동일했다. 이 때문에 토츠카 씨는 카미오칸데를 사용하여 태양 중성미자 문제를 검증하려고 생각한 것이다.
관측장치를 양성자 붕괴의 검출에서 태양 중성미자의 검출로 다시 조정하고 있던 1987년 2월 23일 대마젤란 성운에 있던 항성이 초신성 폭발을 일으켜 '초신성 1987A'로 관측되었다.
토츠카 씨에 의하면 2월 24일이 되어 해외의 연구자로부터 "혹시 초신성 1987A 유래의 뉴트리노가 관측되지 않았냐"는 문의를 받았다. 서둘러 카미오카에서 관측데이터를 기록한 자기테이프를 도쿄에 들여와 해석한 결과 초신성 1987A 유래의 중성미자가 11개 발견되었다.
카미오칸데는 초고감도의 광전자 증배관을 통형상으로 배치한 3차원의 거대 촬상 소자. 이 때문에 중성미자가 도착한 방향을 알 수 있었고 그것이 큰 마젤란 성운 방향과 일치했다. 중성미자의 에너지도 태양의 그것보다 훨씬 높았다.
이것이 계기로 카미오칸데는 중성미자의 관측장치로서의 역할이 메인이 되어 간다. 그 후 주로 태양으로부터의 중성미자 검출에 이용되었다. 미국의 초기 관측과 마찬가지로 태양 중성미자는 이론치의 약 46%만을 검출할 수 있었다. 이 공로가 2002년 오시바 씨 연구팀의 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다.
세계 물리학자는 더 이상 보지 못한 척을 할 수 없게 되었다. 이론치와 관측한 값이 2~3배도 어긋나 있는 것은 단순한 오차로는 설명이 되지 않는다. 이론치의 기초가 된 표준이론은 다른 많은 실험 사실과 모순되지 않으며 반석이 너무 많아 수정 자체가 쉽지 않다. 그럼에도 불구하고 많은 연구자는 태양 중성미자 문제를 표준이론의 정확성을 뒤흔드는 것으로 심각하게 받아들였다.
이 결과 1990년대 전반은 어떻게든 이 건을 설명할 수 있는 이론 찾기 혹은 기존 이론의 '실수 찾기'가 활발히 진행되었다. 토츠카 씨는 1990년 강연에서 “초기에는 태양 중심의 온도가 이론보다 낮을 것으로 생각했지만 온도를 낮추면 더 실험값과 맞지 않게 된다. 중성미자의 이론이 잘못되었을지도 모른다"고 당시 견해를 밝혔다.
그 밖에도 태양중심부의 핵융합을 설명하는 이론에 잘못이 있다고 생각하는 연구자도 있고 중력상수 G의 값이 실은 시간에 따라 강해지거나 약해지는 식으로 진동하고 있다는 중력상수 진동설을 주장하는 연구자도 있었다. G가 다르면 태양중심부에서의 중력의 강도가 바뀌고 결과적으로 핵융합의 반응속도가 바뀌고 중성미자가 적은 것을 설명할 수 있다는 것이다. 그러나 중력상수 진동설은 다른 부분에서 관측사실과 크게 모순되어 사라졌다.
대신 대두된 것이 '뉴트리노 진동설'이다. 이 설은 3종류의 중성미자(νe, νμ, ντ)가 실은 시간이 진행됨에 따라 서로 바뀐다는 가설이다. 태양 중심부에서 발생하는 것은 νe 이지만 지구에 도달하기까지 일부가 νμ나 ντ로 변화하고 있다는 것이다. 이 현상은 중성미자에 질량이 있고 νe, νμ, ντ에 질량 차이가 있을 때 발생한다. 이론으로서는 수십 년 전부터 있었지만 중성미자는 관측이 쉽지 않기 때문에 아무도 검증할 수 없어 방치되고 있었다.
그 중성미자 진동설은 태양 중성미자 문제 덕분에 숨을 트였다. 향기라고도 불리는 중성미자의 종류가 다르면 관측할 수 있는 중성미자의 에너지도 달라진다. 카미오칸데 등의 관측장치에서는 어느 에너지 이상의 중성미자 밖에 관측할 수 없고 거기에서 벗어나면 '없다'가 되어 버린다고 생각되었다. 이 때문에 보다 낮은 에너지의 중성미자를 관측할 수 있는 장치가 필요했다. 그래서 건설된 것이 카미오칸데의 수조용량을 약 16배로 확대한 슈퍼카미오칸데였다.
1996년에 가동한 슈퍼 카미오칸데는 2년 후에 종래의 νe에 더해 νμ로 보이는 중성미자를 관측했다. 이를 토츠카 씨와 당시 도쿄대학 우주선연구소 조교수였던 카지타 타카노리 씨가 주도했다.
그리고 2001년에는 캐나다의 Sudbury Neutrino Observatory(SNO)에 건설된 중성미자 관측장치가 νe, νμ, ντ 모두를 관측했다. 이것들을 모두 합쳐 보면 당초의 태양 중성미자의 이론치와 일치했다. 즉 태양 중성미자 문제는 중성미자 진동설로 설명할 수 있게 되었고 이번 카지타 씨와 SNO의 McDonald 씨의 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다. 중성미자의 진동이 확인됨에 따라 표준이론의 수정으로 이어졌다.
현재 카미오카 광산의 지하에서는 용량이 슈퍼 카미오칸데의 20배가 되는 하이퍼 카미오칸데의 건설이 2025년의 가동을 목표로 진행되고 있다. 주목적은 원래 카미오칸데의 목적이었던 양성자 붕괴의 검출이다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - ニュートリノとは何か https://xtech.nikkei.com/dm/atcl/column/15/198610/100800021/
2016년 연구에서 임신한 여성의 뇌는 회백질이나 해마가 감소하는 것으로 판명되었습니다. 이러한 변화는 모체가 되기 위한 적응으로 여겨지며 육아에 유익한 영향을 미칠 것으로 추정되었습니다.
한편 자신이 임신한 것은 아닌 남성은 그다지 주목받지 않았고 뇌용량의 증감에 관한 경미한 연구결과도 모순이 있거나 불완전했다고 합니다. 또 남성은 모체와 마찬가지로 '산후우울증'에 걸리는 것으로 보고되었지만 문제로 인식되는 경우는 적다고 과학계 미디어 Science Alert는 설명했습니다.
이에 스페인과 미국의 연구팀이 실시한 새로운 연구에서는 파트너의 출산 전후의 남성의 뇌를 핵자기공명화상법(MRI)으로 스캔해 뇌용적의 변화나 두께 등을 분석했습니다.
총 40명의 피실험자는 모두 파트너를 가진 이성애자였으며 스페인과 미국에서 절반씩 모였습니다. 스페인의 피실험자는 파트너의 임신 전과 출산으로부터 2~3개월 후, 미국의 피실험자는 파트너의 임신기간 중~후기와 출산으로부터 7~8개월 후에 MRI 스캔을 받았습니다. 또 스페인에 거주하는 아이를 가지지 않은 17명의 남성에 대해서도 대조군으로서 뇌의 스캔을 실시했다고 합니다.
뇌 스캔 데이터를 분석한 결과 처음으로 아이를 얻은 남성은 평균적으로 뇌의 회백질 용적의 1~2%를 상실한 것으로 나타났습니다. 이 회백질 감소는 주로 '기본모드 네트워크'라고 불리는 뇌활동과 시각 네트워크와 관련된 부위에서 발생했습니다.
뇌의 부피가 감소했다고 들으면 부정적인 이미지가 있을지도 모르지만 실제로는 아이와의 연결을 강화하고 아버지로서의 역할에 적응하는 데 도움이 될 수 있다는 것. 또한 시각 네트워크에서의 피질용적의 감소는 아이를 갖지 않은 남성보다 시각 기억 태스크가 우수하다는 2020년의 연구결과에 합치하고 있습니다.
연구팀은 “이러한 결과는 아버지가 아이를 인식하고 대응하는 데 있어서 시각계가 독자적인 역할을 하고 있다는 것을 시사하고 있으며 이것은 향후 연구에서 확인해야 할 가설”이라며 아버지가 됨에 따라 구조적 변화가 육아와 아이의 성장에 미치는 영향을 이해하는 것은 거의 미개척의 주제이며 향후 연구에 흥미로운 길을 열어줄 것으로 전망했습니다.
2022년 3월 몬스터의 모습으로 표현되는 NFT(비대체성 토큰)를 수집해 서로 싸우거나 번식시키는 게임 Axie Infinity가 해킹 피해를 입어 17만 3600ETH(이더리움)과 2550만 USD 코인을 도난당했습니다. 피해액은 당시의 가치로 7500억 원 이상으로 가상화폐 관련의 해킹 피해로는 최대 규모라고 보도되었습니다. 현시점에서는 이더리움의 가치가 2022년 3월말부터 50~60% 하락했기 때문에 피해 총액도 약 4700억 원 정도로 평가되고 있습니다.
그 후의 조사에서 연방수사국(FBI)은 이 해킹에 북한의 사이버범죄 그룹인 라자루스 그룹이 관여했다고 발표했습니다.
이번 사건에서 Axie Infinity를 지원하는 사이드체인 Ronin Bridge가 가동하는 Ronin Network의 거래검증자(Validator)가 보유한 9개의 비밀키 중 5개가 라자루스 그룹으로부터의 액세스를 받았습니다. 이 Ronin Network에 대한 침입은 LinkedIn의 구인으로 위장한 악성코드가 사용된 것으로 밝혀졌습니다.
라자루스 그룹은 17만 3600ET와 2550만 USD 코인을 훔친 후 돈세탁을 했습니다. 이 돈세탁에는 1만 2000종류 이상의 다른 가상통화 주소가 사용되었다고 합니다.
Chainalysis에 의하면 라자루스 그룹을 비롯한 북한계 사이버범죄 그룹이 채용하고 있는 돈세탁 수법에는 대략적으로 나누어 다섯 단계로 이루어져 있다고 합니다.
1: 훔친 이더리움을 중개자의 지갑으로 보냅니다. 2: 토네이도 캐시를 사용하여 이더리움 거래를 모두 익명화합니다. 3: 이더리움을 비트코인으로 환금합니다. 4: 비트코인을 믹싱합니다. 5: 비트코인을 환금합니다.
이 일련의 프로세스 중에서 가장 중요한 것은 가상화폐의 거래 데이터를 복수 혼합해 이더리움의 거래를 익명화하는 서비스 토네이도 캐시입니다. 토네이도 캐시는 거래자의 프라이버시를 지키는 목적이지만 돈세탁에도 악용되고 있습니다. 이에 미 재무부 외국자산관리국(OFAC)은 2022년 8월 토네이도 캐시를 제재대상으로 지정했습니다.
토네이도 캐시가 OFAC의 제재대상이 되었기 때문에 라자루스 그룹은 여러 종류의 가상화폐로 환전을 통해 대량의 거래를 함으로써 훔친 가상화폐의 흐름을 불투명화시키는 수법에 의존할 수밖에 없게 되었습니다. FBI와 Chainalysis는 "독자적인 툴로 이 거래를 추적해 도난당한 자산의 약 10%에 상당하는 가상통화의 압수에 성공했다고 합니다. Chainalysis는 악의적인 업체가 부정하게 얻은 가상통화의 이익을 성공적으로 현금화하는 것이 더 어려워지고 있음을 보여준다"고 지적하면서도 "관민의 협력이 없으면 압수하는 것은 불가능했을 것"이라고 보았습니다.
영화나 드라마에는 해커 등이 특수한 소프트웨어나 스파이웨어를 사용해 타인의 스마트폰 카메라를 탈취해 버리는 장면이 등장합니다. 그러나 이러한 도구를 사용하지 않아도 HTML만으로 카메라를 기동시킬 수 있는 '캡처 속성'을 발견했다고 웹디자인과 소프트웨어 개발을 다루는 유튜버 Austin Gil 씨가 실연을 나누어 기능을 알기 쉽게 설명했습니다.
특히 흥미로운 점은 모바일 기기에서 사이트를 방문한 사용자에게 사용하면 스마트폰의 파일선택창 대신 카메라를 직접 기동할 수 있다는 점입니다. 또한 'user', 'environment' 등의 값으로 전면 카메라인지 후면 카메라인지를 지정할 수도 있습니다.
바로 Gil 씨는 실제로 capture를 사용한 HTML을 써서 실험해보기로 했습니다.
데스크톱 PC 브라우저에서 이 기능을 사용해도 파일선택창이 열립니다.
Gil 씨는 다음으로 스마트폰으로 접속하여 environment을 값으로 한 capture를 사용해 보았습니다.
그러자 녹화모드에서 카메라가 기동되었습니다.
user로는 사진을 촬영할 수 있습니다. 이 상태에서 사진을 찍으면 이미지 파일이 HTML 측으로 전송된다는 것. 앞서 언급했듯이 environment나 user는 전면 카메라나 후면 카메라를 지정하는 값인데 Gil 씨가 시도한 단말기에서는 영상이나 사진이 되어 버렸다고 합니다.
capture의 호환성은 이런 느낌. 단말기의 전면 카메라나 후면 카메라를 사용하는 기능이므로 Android판 Chrome이나 iOS의 Safari 등 모바일용의 브라우저는 대응하고 있습니다.
Gil 씨가 capture에 대해 다룬 것이 계기로 이 기능이 화제가 되자 일부는 카메라에의 액세스 허가의 요청이 표시되지 않기 때문에 보안상의 우려가 있을 것이라고 지적하는 사람이 있었습니다. 그러나 이 기능은 카메라 자체가 아니라 카메라로 촬영한 파일에 대한 액세스를 제공하는 것이고 다른 방법으로 파일을 지정하는 것과 본질적으로 동일하기 때문에 Gil 씨는 “특별히 보안에 대해 걱정 필요가 없다.”고 보았습니다.
QNAP는 2022년 1월 랜섬웨어 DeadBolt가 당사의 NAS를 암호화하는 문제를 발표했었는데 이번 DeadBolt는 QNAP의 사진관리 애플리케이션인 Photo Station을 표적으로 하고 있다는 것.
QNAP의 제품보안 인시던트 대응팀(QNAP PSIRT)은 발견 12시간 만에 패치를 적용한 Photo Station을 출시했습니다. 따라서 Photo Station을 최신 버전으로 업데이트하거나 유사한 사진관리 앱인 QuMagie로의 이전도 권하고 있습니다.
또한 QNAP은 영향력이 '치명적'이라는 레이블이 붙은 DeadBolt의 보안 권고에서 다음 절차를 통해 QNAP의 NAS 장치와 라우터를 보호하는 것이 좋다고 권했습니다.
1. 라우터의 포트 포워딩 기능을 비활성화합니다. 2. NAS에 myQNAPcloud를 설정하여 안전하게 원격으로 액세스할 수 있도록 하고 인터넷에서의 노출위험을 최소화합니다. 3. NAS 펌웨어를 최신 버전으로 업데이트합니다. 4. NAS의 모든 애플리케이션을 최신 버전으로 업데이트합니다. 5. NAS의 모든 사용자 계정에 강력한 암호를 설정합니다. 6. 데이터보호를 위해 정기적으로 스냅샷과 백업을 합니다.
QNAP의 발표를 전한 IT계 뉴스사이트의 Ars Technica는 DeadBolt에 감염되면 아래와 같이 표시된다고 합니다.
출처 : Ars Technica
DeadBolt는 QNAP에 대해 5비트코인(약 1억 4000만 원)으로 취약성에 대한 리포트를 구입하거나 50비트코인(약 14억 원)으로 리포트 및 복원키를 구입할 것을 제안했다고 합니다.
출처 : Ars Technica
Ars Technica는 “NAS와 같은 장치에 저장된 데이터의 기밀성을 감안할 때 사용자는 충분한 시간을 들여 모범사례를 따르고 있는지 확인해야 할 것”이라고 경고했습니다.
전기가 흐르는 속도는 빛이나 전파의 속도와 같고 초속 약 30만 km입니다. 그래서 위성을 경유한 전화나 텔레비전 등은 원거리로 전송되어 인간의 감각으로는 순식간에 신호가 닿습니다. 텔레비전의 디지털화에 의한 지연은 디지털 신호로부터 화상이나 음성을 디코드(복원)하기 위해서 발생하는 지연이기 때문에 텔레비전에 따라 지연시간이 다릅니다.
그런 전기는 원자의 중심에 있는 원자핵으로부터 가장 먼 위치에 있는 전자가 원자핵의 속박으로부터 해방되어 한 방향으로 움직이기 시작한 상태입니다. 전자의 흐름은 초속 1mm 이하로 더 빨리 가속하려면 전압을 가해야 합니다. 브라운관을 사용한 텔레비전 수상기나 빛 대신에 전자를 사용하는 전자현미경 등에서는 수만에서 수백만 볼트의 전압으로 전자를 끌어당겨 전자의 속도를 가속합니다.
전기는 구리처럼 전류가 흐르기 쉬운 금속을 선형으로 한 전선을 사용하여 이용합니다. 공장의 큰 모터를 움직이는 용도에는 3개 한 세트의 전선을 사용하는 경우가 많고 건전지로 작은 전구(또는 LED)를 빛내거나 일반적인 가정용 가전은 2개 한 세트의 전선을 사용합니다.
고정밀 이미지를 생성할 수 있는 AI 'Stable Diffusion' 등이 등장해 인간과 손색없는 그림이 다수 만들어지는 한편 그림이라는 예술작품의 저작권 개념이 희미해지고 있어 문제시되고 있습니다. Stable Diffusion보다 한발 앞서 등장했던 AI 'Midjourney'에 의해 생성된 그림이 어느 품평회에서 1위를 획득해 화제가 되고 있습니다.
2022년 8월 26일부터 개최된 제150회 콜로라도주 품평회의 디지털아트 부문에서 제이슨 앨런이라는 인물이 제출한 그림이 1위를 차지했습니다. 해당 그림은 알렌 씨 본인이 아니라 Midjourney에 의해 생성된 것으로 AI가 인간을 제치고 우승한 것에 대해 아티스트 제넬 쥬마론 씨는 "빌어먹을 것"이라고 코멘트했습니다.
앨런 씨는 이 그림을 만들 때 독자적인 프롬프트를 바탕으로 Midjourney로부터 수백 장의 이미지를 생성하여 미세조정 후 최종적으로 남은 3장을 선택하여 제출했다고 합니다. 그 외 앨런 씨는 Photoshop으로 이미지의 미세조정과 Gigapixel AI로 이미지의 확대를 했습니다.
Midjourney의 그림이 우승하여 쥬마론 씨를 비롯한 아티스트는 "AI가 창조적인 일의 죽음을 앞당기고 있다"고 비난했습니다. OmniMorpho 씨는 “창조적인 작업이 기계에 위협을 받는다면 고급 기술을 필요로 하는 작업은 시대착오적이게 될 위험이 있다"며 위기감을 나타냈습니다.
한편 앨런 씨는 “비평가들은 예술을 '제작방법'으로 판단하고 있다"며 "한 아티스트가 거꾸로 매달려 그린 그림은 다른 아티스트와는 다른 평가를 받아야 하느냐”라고 반박해 누가 어떻게 그렸는지를 평가하는 풍조에 의문을 제기했습니다. 또 앨런 씨는 “다른 평가를 하기 위해 비평가들은 'AI 예술'이라는 카테고리를 만들려고 시도하고 있다"고 지적했습니다.
우주는 굉장히 크고 작은 세계다. '왜 우리가 이 우주에 존재하는가?'라는 문제에 중성미자가 관련되어 있을지도 모른다고 하면 대부분의 사람은 무슨 말인지 전혀 모른다.
바라보는 범위를 크게 해 나가면 우주는 어디까지나 끝없이 펼쳐져 있다. 빅뱅으로부터의 빛이 퍼져 있는 범위는 10^27미터 정도의 범위이므로 그 이상은 어떻게 되고 있는지는 아직 잘 모른다. 다만 알고 있는 범위만으로도 29자리의 범위가 있다. 그 정도로 우주는 큰 것이다.
그런데 우주의 연구를 해 나가면 큰 것뿐만 아니라 작은 것도 중요하다는 것을 알게 된다. 원자, 원자핵, 소립자의 세계이다. 지금의 우주는 상상도 할 수 없을 정도로 큰 것이지만 시간을 되감아 보면 이상하게도 우주는 점점 작아져 간다. 그리고 갓 태어난 무렵은 매우 뜨겁고 작았던 것으로 나타났다. 그러므로 우주가 어떻게 태어나 지금의 우주가 되어 왔는가 하는 것을 밝히기 위해서는 작은 세계를 모르면 안된다.
우주는 정체불명의 물질로 가득
이 우주가 무엇으로 되어 있는지도 아직 잘 알고 있지 않다. 2003년에 NASA의 관측위성 WMAP에 의해 이 우주의 에너지의 내역을 측정할 수 있게 되었다. 이렇게 말하면 우주가 무엇으로 만들어졌는지 알게 된 것처럼 들리지만 그렇지 않다.
우주라고 하면 아름다운 별이나 은하를 떠올리지만 그것들을 전부 모아도 우주 전체의 0.5% 정도 밖에 되지 않았다. 중성미자는 0.1~1.5%로 역시 우주 안에서는 소수파다. 게다가 우리 몸을 만드는 보통의 원자로 만들어진 물질은 우주 전체에서 4.4%. 이 모든 것을 합쳐도 5% 정도이며 100%에는 한참 멀다.
우리는 만물은 원자로 되어 있다고 학교에서 배워 왔지만 이 우주에 있는 원자를 전부 모아도 5%도 되지 않기 때문에 실은 사실이 아닌 것이다. 우리는 지금까지 물질이 우주의 중심이라고 생각했다. 그렇지만 실은 물질은 우주 속에서 조금밖에 없는 것이 분명했다.
WMAP의 관측결과에 따르면 우주의 23%는 암흑물질이고 73%는 암흑에너지로 이것들을 더함으로써 눈에 띄는 100%라 할 수 있지만 암흑물질도 암흑에너지도 그 정체를 알고 있지 않다. 정체불명의 수수께끼의 물질이나 에너지라는 임시적 이름으로 붙어 있을 뿐이다.
다만 암흑물질은 우주의 시작부터 별이나 은하가 어떻게 만들어 왔는지에 대한 문제와 깊은 관계가 있는 신기한 물질로 우리가 왜 존재하는지와도 깊이 관여되어 있다. 암흑물질의 유력한 후보 중 하나로 중성미자의 친척이 거론된다.
우주는 중성미자로 넘친다
암흑에너지는 이 우주의 미래와 크게 관련되어 있다. 지금 우주는 점점 팽창하고 있는데 과거에는 팽창하는 속도는 점점 느려지고 있다고 생각되었다.
그런데 팽창속도를 잘 조사해 가면 신기하게도 점점 빨라지고 있다는 것을 알았다. 이 우주의 팽창을 빠르게 하고 있는 원인이 암흑에너지가 아닐까 추정하고 있다.
이처럼 우주의 구성요소에서 보면 중성미자는 전체 에너지의 0.1~1.5% 정도밖에 없어 우주 전체에 별로 관여하지 않는 것처럼 느껴진다. 그렇지만 다른 관점에서 보면 어떨까. 앞서 보여준 우주의 구성요소는 에너지였지만, 이번에는 입자의 수를 비교해 보자.
물질을 만드는 입자의 수로 카운트해 보면 이 우주에는 중성미자가 가장 많이 있다. 우리 몸을 만드는 양성자, 중성자, 전자 등은 중성미자의 10억분의 1밖에 없다. 사실 이 우주는 중성미자로 넘쳐났다. 한 입방센티미터당 300개가 있다는 것은 이 우주의 어디를 가도 중성미자가 있다는 것을 의미한다. 게다가 중성미자는 태양과 같은 별에서 많이 나오고 있으며 초당 수백 조의 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있다.
그렇게 방대한 수의 중성미자가 통과하고 있음에도 불구하고 우리는 중성미자를 눈치채지 못하고 본 적이 없다. 도대체 왜일까.
사실 중성미자는 매우 소극적이다. 우리가 어떤 장소에 입자가 존재한다는 것을 알기 위해서는 입자가 힘에 반응해야 한다. 양성자와 중성자는 중력에 반응하기 때문에 다른 입자와 부딪히면 존재를 깨닫지만 중성미자는 중력이나 전자기력과는 반응하지 않으므로 우리 몸을 빠져나가 지나쳐 버린다. 그러므로 우리는 자신의 몸을 지나가는 중성미자를 걱정하지 않고 살고 있다.
중성미자를 잡는 방법
태양으로부터의 중성미자를 잡으려고 얼마나 많은 납덩어리를 놓으면 중성미자가 부딪치는지를 계산해 보았다. 그러자 나온 답은 납을 3광년 정도의 두께로 쌓아 겨우 한 번 확실히 부딪친다는 것이었다. 그만큼의 납은 지구상에 없고 쌓을 수도 없을 정도로 다른 것과 반응하지 않고 그 존재 자체를 알 수 없는 유령같은 소립자다.
우리는 우주의 먼지로 만들어진 것으로 알려져 있다. 실은 우주가 원자보다 더 작고 뜨거웠을 무렵 먼지의 기초가 된 물질과 그 반물질이 충돌해서는 사라지고 새로운 물질과 반물질이 태어나서는 사라지는 현상이 반복되고 있었다.
우주의 온도가 조금 내려가자 같은 수만큼 있던 물질과 반물질의 균형이 무너지고 약간의 반물질이 물질로 바뀌어 우리가 존재하는 물질의 세계가 생기면서 우리가 태어났다. 그 열쇠를 쥐고 있는 것이 지금까지 질량이 제로라고 생각되었던 중성미자에 있다.
중성미자의 신비한 성질을 규명하면서 힉스입자와 인플레이션, 그리고 암흑물질과의 관계를 풀어 왜 우리가 이 우주에서 태어났는지 생각해 보자.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 「ものすごく大きく、そして小さい」宇宙という世界の不思議 https://gendai.media/articles/-/34514?imp=0
입자의 이론에 중력을 통합하기 어려운 이유는 입자 사이에 작용하는 힘을 전달하는 방법에 있었다. 입자 사이의 힘을 전하는 '장'이라는 것의 성질이 문제였다.
물질의 근원을 찾는 연구가 진행되는 한편 자석이나 전기 등의 연구에서 자연계에는 입자 외에도 무언가 물리적인 실체가 있다는 것을 알게 되었다. 그것을 생각하는 계기가 원격력의 존재입니다.
자기력의 존재는 오랫동안 알려져 왔다. 자석을 가까이하거나 멀리하면 근처에 있는 금속의 운동을 컨트롤할 수 있으므로 힘이 작용하고 있다는 것을 알 수 있었다.
그러나 손으로 민 물건이 움직이는 경우 물건을 건드리는 손에서 직접 힘이 전달되지만 멀리 떨어진 곳에서 금속에 달라붙거나 서로 반발하는 자석의 힘은 사람들의 눈에 이상한 것으로 보였다.
이와 같이 떨어져도 전해지는 힘을 원격력이라고 부른다. '장'이라는 개념은 이 원격력을 설명하기 위해 생각한 것이었다.
물체와 물체 사이에는 장이라는 실체가 있어 그것이 힘을 전하고 있다고 생각한다. 예를 들면 자기의 힘을 전하는 것은 자기장, 전기의 힘을 전하는 것은 전기장이라고 부른다.
물리학의 정의로 말하면 장이란 공간의 각 점에서 값(힘의 크기나 방향 등)이 정해져 있는 것이다.
이것만으로는 너무 추상적이기 때문에 이것을 눈에 보이게 만드는 방법으로 학창시절에 한 적이 있는 자석 위에 종이를 올려 거기에 사철을 뿌리는 실험이 있다.
이때 사철이 그리는 모양은 자석 주위에 생긴 자기력선의 형태로 그것을 보면 종이 위의 각 점마다 자기의 크기와 방향이 정해져 있음을 알 수 있다. 이것이 바로 자기장이다.
원격력은 이 자기장이나 전기장 등의 장이라는 생각에 의해 설명할 수 있게 되었다. 예를 들어 전자와 전자 사이에 전기의 반발력이 전달되는 이유는 전자 주위에 전기장이 있고 다른 전자에 의해 전기장의 상태가 변하기 때문이다.
<전자가 있으면 전기장이 변화한다→이 전기장이 또 다른 전자의 운동에 영향을 준다>
이것이 전기장이 전자 사이의 힘을 전하는 원리이다.
스코틀랜드에서 태어난 물리학자 제임스 클라크 맥스웰은 19세기 중반에 전기와 자기의 다양한 현상이 하나의 방정식으로 설명될 수 있음을 발견했다. 그 이후 전기장과 자기장은 일괄해서 전자기장이라고 불리게 된다.
이 맥스웰 방정식의 중요한 의미 중 하나는 전자기장의 파인 '전자기파'를 예언한 것이었다. 전자기장의 방정식을 풀면 전기장과 자기장이 서로 유도되어 파동처럼 전해지는 것을 알 수 있다. 이것이 전자기파이다.
게다가 전자기파가 전해지는 속도는 광속인 것도 계산으로부터 알게 되었다. 즉 빛의 정체란 전기장과 자기장이 만드는 파동인 전자기파였다.
캘리포니아 공과대학은 이공계의 대학이므로 구내를 걷다보면 이계 오타쿠라고 불리는 학생을 자주 마주친다. 그들은 이계 테마의 티셔츠를 자랑스럽게 입고 있기 때문에 바로 알 수 있다. 예를 들면 구약성경의 창세기의 유명한 구절 중 빛의 창조부분을 맥스웰 방정식으로 다시 쓴 것이 있다. T셔츠에 쓸 수 있을 정도의 간결하면서 모든 전자기 현상을 설명하며 빛의 기원까지도 밝힌 훌륭한 방정식이기 때문에 이계 오타쿠가 기쁘게 입고 다니는 것은 타당하다.
그런데 이와 같이 공간으로 가득 찬 전기장이나 자기장 등의 '장'의 존재를 모든 물질이 크기가 없는 '점'으로 되어 있다는 생각과 조합하면 어떤 문제가 일어난다. 그리고 이 문제가 소립자의 이론에 중력이론을 포함하려고 할 때의 어려움으로 이어진다.
전자기력을 외에도 강력, 약력, 중력에서도 같은 문제가 생긴다. 전자에 의해 일어난 전자기장의 변화가 다른 전자로 전해지는 것이 전자기력의 구조인 것을 알게 되면서 어떤 소박한 의문이 생겼다. 하나의 전자에 의해 생긴 전자기장의 변화는 변화를 일으킨 전자 자신에도 영향을 미치는 것이라는 의문이다.
전자기장은 '모두의 것'이며 발신한 전자와 수신하는 전자를 구별하지 않는다. 따라서 발신한 전자에도 당연히 전자기장의 영향은 미칠 것이다. 그런데 그렇게 생각하면 곤란한 일이 일어난다.
전자기장에서 작동하는 힘의 강도는 거리 제곱에 반비례하는 것으로 밝혀졌다. 이것을 쿨롱의 법칙이라고 한다. 전자와 전자 사이의 거리가 가까울수록 더 커진다. 그러면 전자기장의 변화를 발신한 전자 자신이 그 전자기장으로부터 받는 영향은 어떻게 될까?
전자가 점이라면 길이도 폭도 없기 때문에 전자로부터 자신까지의 거리는 제로. 쿨롱의 법칙에 의하면 발신한 전자 자신이 느끼는 전자기장의 힘은 무한대가 되어 버리는 것이다.
전자가 느끼는 전자기장의 강도가 무한대가 되면 무엇이 문제일까? 여기서 중요한 것이 아인슈타인의 유명한 식 E=mc^2이다. 이 방정식은 에너지(E)와 질량(m)이 사실 같은 것이라고 알려준다. 예를 들면 질량 1그램이 약 8만 가구의 1개월분의 소비전력량과 같은 에너지로 환산할 수 있다.
전자기장을 강하게 하면 그 에너지도 커진다. 그리고 전자가 느끼는 전자기장의 강도가 무한대가 되면 거기에서 전자기장의 에너지도 무한대가 된다. E=mc2로 이 에너지를 질량으로 환산하면 이것도 무한대. 이것을 전자의 질량에 더하면 전자의 질량도 무한대가 되어 버린다.
하지만 물론 그런 일은 있을 수 없다. 질량이란 그 물체의 이동하기 어려움이나 멈추기 어려움을 나타내는 값이다. 전자의 질량이 무한대라면 그 전자를 움직이는 것은 불가능하게 되어 현대 사회의 기반이 되고 있는 전자기술도 성립되지 않게 되어 버린다.
이런 바보 같은 결론에 도달하는 것은 애초에 전자기장의 에너지를 전자의 질량에 포함시키는 것이 타당한 것인지 의문이 들지도 모른다. 그러나 전자의 질량이 무한대가 되어 버리는 문제는 E=mc^2의 발견 이전부터 알려져 있었다.
전자를 발견한 것으로 알려진 영국 물리학자 조셉 존 톰슨은 아인슈타인이 E=mc^2를 발견하기 20년 이상 전부터 전자처럼 전하를 가진 입자의 질량을 생각하고 있었다.
이 입자를 표면에 전하가 균일하게 분포하고 있는 작은 구체라고 생각하면 그 주위에는 전기장이 생긴다. 또 구체를 움직이려고 하면 자기장도 생긴다. 톰슨은 계산에 의하여 이 전자기장은 구체를 움직이기 어렵게 하기 위하여 작동한다는 것을 보여주었다.
즉 전자기장이 구체의 질량으로서 작용하는 것이다. 톰슨은 구체의 질량이 전자기장에 의해 증가한다는 결론을 내렸다.
그리고 이 때 구체의 반경을 제로, 즉 점이라고 생각하면 입자가 받는 전자기장의 강도는 무한대가 되기 때문에 질량의 증가분도 무한대가 되어 버리는 것이다. 이 결과는 아인슈타인의 E=mc^2를 사용한 계산과 동일했다.
전자의 크기가 0이 아니면 전자기장으로부터 받는 에너지도 유한하고 그 후 가산되는 질량도 유한의 값에 들어간다. 전자가 크기가 없는 점이라고 생각하기 때문에 전자의 질량이 무한대가 되어 버리는 것이다.
그렇다면 점입자 등은 생각하지 않고 전자에 크기가 있다고 하면 무한대의 문제는 해소할 수 있는 것은 아닐까. 초끈이론의 발상의 원점은 여기에 있다.
그러나 물리학자는 보수적인 사람들이다. 자연계의 기본단위는 크기가 없는 점이라고 하는 지금까지 익숙한 생각을 포기하고 '넓이가 있는 소립자상' 등 돌발적 발상을 하기 전에 더 온건한 해결책을 모색했다.
거기서 제안된 것이 전자가 원래 가지고 있던 질량의 값으로 전자기장의 에너지의 효과를 상쇄하려는 아이디어이다.
구체적으로는 우선 전자기장의 에너지를 기원으로 하는 질량 외에 전자가 원래 가지고 있는 고유의 질량이 있다고 생각한다. 그러면 관측되는 전자의 질량은 전자기장의 에너지를 환산한 질량과 전자 고유의 질량의 합이라고 본다.
(관측되는 전자의 질량)=(전자기장의 에너지)+(전자 고유의 질량)
전자가 점점 작아지고 점에 가까울수록 전자기장의 에너지는 무한대에 가까워지는데 여기서 전자 고유의 질량을 점점 작게 하여 그것과 상쇄하면 전자가 점이어도 상관없다는 것이 이 아이디어의 골자였다.
잠정적인 해결책인 재규격화라 불리는 이 아이디어는 20세기의 소립자물리학의 발전에 크게 공헌했다. 그러나 소립자이론의 진보가 어느 단계에 도달했을 때 이 방법은 드디어 사용할 수 없게 된다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 「点粒子」が引き起こす「無限大」という困難をどう乗り越えるか https://gendai.media/articles/-/36819?imp=0
By Janet Ramsden 출처:https://www.flickr.com/photos/ramsd/
물은 일반적으로 거의 압축할 수 없고 아무리 힘을 가해도 그 부피는 거의 변화하지 않는다고 알려져 있습니다. 그 특성을 살려 수압을 이용한 기계가 사회의 곳곳에서 활용되고 있는데 그런 상식이 특수한 환경에서는 뒤집히는 것으로 드러났습니다. 두 영역에서 전위구배가 존재하는 원자 수준의 세계에서 물은 압축될 수 있는 것으로 연구에서 밝혀졌습니다.
이 연구결과는 일리노이대학교 어바나-샴페인캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 연구팀이 발표한 것으로 물리학의 알렉세이 아키멘티예프 교수와 포스독 연구원 제임스 윌슨 씨 등은 아래 그림과 같은 탄소원자 1개분의 두께밖에 없는 시트상 물질인 그래핀에 미세한 구멍 나노세공(nanopore)을 비우고 그래핀의 양면에 전위의 차이인 전위구배가 있는 상태로 했을 때 그 구멍을 통과하려고 하는 물 분자가 최대로 3% 압축되는 것을 발견했습니다.
By AlexanderAlUS 출처:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%B3#/media/File:Graphen.jpg
연구팀은 그래핀의 나노세공을 이용한 DNA 시퀀싱 기술의 신기술을 테스트하기 위한 연구에서 이 현상을 발견했습니다. 이 분야는 최근 기존보다 저렴한 DNA 시퀀싱을 가능하게 하는 기술로서 기대되고 있는 분야로 전세계에서 연구가 진행되고 있다고 합니다. 나노세공을 가진 그래핀을 물 속에 넣어 막의 양면에 전위차를 만들어 내는 방식으로 물이나 DNA, 이온을 그 전위차를 이용해 이동시킨다는 것으로 이때 DNA의 4개의 염기로 인해 발생하는 이온의 흐름을 읽어 DNA를 특정할 수 있습니다.
이 기술에서는 나노세공의 크기가 매우 중요한 요소가 되었습니다. 그래핀은 탄소원자 1개분의 두께밖에 없고 나노세공의 직경은 불과 3나노미터로 대략 탄소원자 10개분의 크기입니다. 이 구멍 안을 직경 약 2나노미터의 DNA 분자가 통과합니다.
연구에 있어서 아키멘티예프 교수와 윌슨 씨는 이 움직임을 컴퓨터로 시뮬레이션해 나노세공을 통과하는 DNA 분자의 스피드를 제어하는 것을 목표로 했습니다.
지금까지의 실험에서는 가하는 전하를 높게 함으로써 DNA 분자의 이동속도가 높아지는 것을 알고 있었고 전하를 10배로 하면 그 움직임이 멈추어 DNA 분자는 나노세공을 통과할 수 없다는 사실을 알게 되었습니다. 그리고 그 원인에 대해 연구를 한 아키멘티예프 교수 연구팀은 물은 전위구배에 의해 압축된다는 결론에 이르렀다고 합니다.
아키멘티예프 교수는 그 양상에 대해 “전위구배가 물을 압축시키는 것으로 밝혀졌습니다. 왜냐하면 물은 유전체이기 때문입니다. 이 현상은 매우 높은 전계에 의해 생성되는 것이 아니라 공간과 공간 사이에 전위구배가 있는 상태로 인해 발생합니다. 물분자에 주어진 전하는 전계에 따라 나열되고 전기장이 가장 높은 장소에 가까운 곳에 있는 전하는 전기장이 가장 약한 장소보다 강하게 당겨진다”라고 설명합니다.
이 때의 물의 압축률은 불과 3%로 100기압에 있는 물과 같은 압축율입니다. 이 높게 압축된 물이 앞서 언급한 DNA 분자가 통과할 수 없는 상태를 낳고 있다고 아키멘티예프 교수 연구팀은 보았습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 영상에서는 압축된 물이 DNA 분자를 밀어내는 상태가 재현되어 있습니다.
일상적으로 빛과 빛은 곳곳에서 충돌하고 있을 것 같다. 예를 들어 두 개의 손전등을 서로 마주 보게 하는 실험을 생각해보면 빛은 사라지지 않거나 튀어 오르거나 땅에 떨어지거나 하지 않는다. 그냥 통과할 뿐이다.
거울을 이용하여 태양광선끼리를 부딪히는 실험이나 강력한 레이저 광선을 사용한 실험이 이루어졌습지만 역시 빛은 그대로 통과한다. 빛과 빛은 간섭 등의 현상을 일으킬 수 있지만 튀어 오르거나 반응하지는 않는다. 이것은 물체와 물체, 빛과 물체가 부딪쳤을 경우에 튀어 오르거나 빛이 없어져 버리는 것과 완전히 다르다.
높은 에너지의 빛끼리의 충돌
그러나 에너지가 높은 빛인 감마선끼리 충돌시키면 반응이 일어난다. 이것은 빛의 에너지가 상대성이론의 효과로 물질로 바뀌기 때문이다. 광자의 에너지를 점점 올려 갔을 경우의 충돌현상을 살펴보자. 높은 에너지의 빛에서는 입자로서의 성질이 중요하기 때문에 이제부터 빛을 '광자'라고 부른다.
우선 광자 1개의 에너지가 전자의 질량에 대응하는 에너지(0.511MeV)보다 커지면 2개의 광자의 충돌로 인해 전자와 그 반입자인 양전자의 쌍이 만들어진다. 2개의 광자는 사라져 없어져 버린다.
광자 + 광자 → 전자 + 양전자
한층 더 에너지를 올리면 질량이 큰 입자나 다수의 입자가 한 번에 만들어지게 된다. 그 중의 흥미로운 현상으로서 무거운 중간자의 생성(0.5~5GeV 정도의 광자에서 일어난다)이나 에너지가 높은 쿼크나 글루온으로부터 만들어지는 다수의 입자군의 생성(주로 2GeV 이상의 광자)이 일어난다. 한층 더 높은 에너지의 광자를 사용하면 힉스입자 등의 소립자도 가능하다. ※1MeV=백만 전자볼트, 1GeV=10억 전자볼트
현재까지의 광자·광자 충돌실험의 성과
높은 에너지의 광자를 어떻게 만들까? 전자나 양성자는 전기를 띠고 있기 때문에 전기의 힘으로 에너지를 줄 수 있지만 광자는 전기를 띠지 않기 때문에 되지 않는다. 보통은 가속기로 높은 에너지까지 가속한 전자를 금속판에 충돌시켜 높은 에너지의 광자를 방출시킨다. 그렇지만 이 방법에서는 금속판을 통과할 때에 전자의 빔의 방향이 방해되기 때문에 광자의 날아가는 방향이 다소 퍼져 버려 광자·광자 충돌실험에는 적합하지 않다.
현재의 광자·광자 충돌실험은 전자와 양전자가 충돌하는 순간의 극히 짧은 시간에만 나타나는 '가상 광자'를 사용해 이루어지고 있다. 가상 광자끼리의 충돌은 전자와 양전자의 충돌시 자연스럽게 발생하는 현상이다.
하드론 제트와 같은 현상을 대량으로 관측해 상세한 연구를 했다. 그리고 광자 안에 글루온이라는 입자의 성분이 있기 때문에 일어나고 있는 현상이 있다는 것을 확인했다. 글루온은 본래 양성자 등 물질을 만드는 입자 속에서 발견되는 것인데 이 현상은 글루온이 광자 안에도 있다는 빛의 의외의 일면을 보여주는 귀중한 현상이다.
미래의 가능성
새로운 방식으로서 전자빔과 양전자빔 각각에 레이저광을 대고 매우 높은 에너지의 광자·광자 충돌이 생각되고 있다.
이처럼 우리의 일상생활에서는 결코 일어나지 않는 빛과 빛의 충돌은 높은 에너지에서는 다채로운 현상을 통해 소립자의 세계로부터 중요한 메시지를 전해 준다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 光と光をぶつけたら https://www2.kek.jp/ja/newskek/2003/mayjun/photon.html
일본인으로서 처음으로 노벨상에 빛난 유카와 히데키 박사는 오사카제국대학 이학부 강사였던 1934년 중간자의 존재를 예상해 '소립자의 상호작용에 대해'라는 논문을 발표했다. 원자나 그보다 작은 소립자는 양자라고 불리며 입자처럼 또는 파동처럼 운동하는 이상한 성질을 가지고 있다. 그런 극미한 세계를 다루는 '양자역학'은 당시 탄생한지 얼마 안 되어 전세계 학자가 연구에 힘을 쏟고 있었다. 유카와 박사는 이미 존재가 알려져 있던 전자나 양자, 중성자 등 원자핵의 구성요소에 더하여 중간자라는 존재를 가정함으로써 원자핵이 흩어지지 않도록 연결하는 힘의 정체를 설명했다. 획기적인 아이디어로 받아져 1949년 노벨상으로 이어졌다. 전후 피폐해 있던 많은 젊은이를 소립자 연구에 모이게 해 이 분야에서 일본이 중요한 역할을 하는 계기가 되었다.
현대의 연구에서는 '초끈 이론', '이차원 공간' 등 일상생활의 상식과는 별개인 사고방식도 등장했고 우주의 성립에도 관련되어 있다고 추정된다.
우주는 17종류의 소립자로 만들어져 있는가?
물건이 무엇으로 되어 있는지를 탐구하기 위해 점점 분할해 나가면 수소나 산소 등의 원자에 도달한다. 그 원자도 실은 물질의 최소 단위가 아니라 원자핵 주위를 전자가 돌고 있다는 구조가 20세기 초에 밝혀졌다. 그 원자핵을 부수어 보면 양성자와 중성자로 나뉜다. 그럼 양성자나 중성자를 부수면 어떻게 될까. 작아질수록 부서지기 어렵지만 기술이 진보됨으로써 부서지게 되었다. 인류가 지금의 기술로 도달한 가장 작은 알갱이를 소립자라고 부른다. 이론적으로 존재가 예상되었던 톱 쿼크라는 소립자가 1995년에, 힉스입자가 2012년에 발견되었다. 광자(빛의 입자)나 전자도 소립자로 지금까지 발견된 소립자는 17종류, 놀랍게도 인류에게 보이는 우주는 그 17종류의 소립자로부터 거의 만들어졌다. 게다가 1970년대에는 소립자의 표준이론이 완성되어 각각의 소립자가 어떤 법칙으로 움직이는지를 단 하나의 방정식으로부터 이끌어내게 되었다. 우주도 인간사회도 복잡함으로 가득 차 있지만 결국은 이 17종류의 소립자가 달라붙거나 떠나는 법칙으로 환원된다. 그 방정식을 우리는 알고 있다.
우주의 수수께끼는 모두 규명된 것인가?
그렇게 간단하지 않다. 현대 물리학에서는 힘이 입자를 매개로 발생한다고 생각한다. 예를 들어 전자기력은 광자가 매개하는 것으로 알려져 있다. 물건이 끌어당기는 만유인력을 매개하는 중력자가 존재할 것임에 틀림없다고도 생각한다. 그러나 전자기력 등과 비교해 중력은 매우 약하기 때문에 관측이 어렵다. 그래서 아직 실험적으로는 중력자의 존재는 확인되지 않았다.
소립자는 '끈'으로 되어 있다?
그렇다면 중력자가 발견되면 우주의 수수께끼에 종지부가 될까? 이것 또한 그렇게 간단하지 않은 것 같다. 왜 소립자는 이 17종류(중력자를 넣으면 18종류)인가나 왜 빛이나 중력이 존재하는가 등 이런 보다 근원적인 질문이 남는다. 그래서 주목을 받고 있는 것이 소립자는 어떤 종류의 끈으로 되어 있다고 보는 '초끈이론'이다.
소립자를 관찰해 끈처럼 보인다는 실험결과는 지금까지 전혀 없었다. 하지만 끈이라고 가정하면 매우 좋다. 3D 영화를 볼 때 편광안경을 쓰면 입체적으로 보이는데 세로와 가로 편향을 가지는 빛을 좌우의 눈에 따로따로 통과시키기 때문이다. 소립자가 점이 아니라 끈이라고 생각하면 끈의 종횡의 진동의 차이로 편광을 설명할 수 있다. 게다가 끈의 진동 방정식으로부터 전자파(빛)의 운동을 기술하는 맥스웰 방정식이 자동적으로 도출된다. 대단한 것은 중력의 성질을 기술하는 아인슈타인 방정식도 소립자가 끈이라고 가정하면 이끌 수 있다. 이 세상에 왜 빛이 존재하는지, 왜 중력이 존재하는지 등 근원적인 의문을 수학적으로 설명할 수 있다.
다양한 수수께끼를 소립자가 끈이라는 가정으로 간단하게 풀 수 있다. 많은 물리학자가 몰릴 만한 매력에 넘치지만 그 앞에 보이는 광경은 상상을 초월하는 것이다. 우리는 사는 세상은 세로, 가로, 높이의 3차원 공간이라고 생각한다. 그 이유를 해결하는 아이디어로서 9차원 중 6차원은 작게 축소되어 우리에게는 보이지 않는다고 가설이 있다. 줄을 타는 광대를 생각해보자. 그는 줄 위를 앞뒤로 진행하기 때문에 줄은 1차원이다. 그 줄의 표면에 개미가 있다고 가정하면 개미는 줄의 표면을 앞뒤좌우로 움직일 수 있기 때문에 2차원, 줄의 내부에 벼룩이 있으면 벼룩에게는 3차원의 세계이다. 이와 같이 인간은 9차원의 세계에 있는데 3차원밖에 보이지 않을 뿐이라 생각한다.
새로운 과학의 지평을 넓힐까?
믿기 어려운 세계상으로 물리학자라고 해도 그 이론을 의심하는 사람은 많았다. 그러나 우주는 왜 존재하고 있는지, 우주의 시작은 무엇이었는가 등 이런 의문에 대답을 해줄 것 같은 매력에 저항하기 어렵다. 영국의 물리학자 호킹에 의한 블랙홀의 열역학적 연구의 난제가 해결될지도 모른다는 아르헨티나 출신의 물리학자 마르다세나가 제창한 홀로그래피 원리에 따르면 전자기의 운동을 기술하는 맥스웰 방정식을 조금 일반화한 시스템과 중력을 설명하는 아인슈타인 방정식의 시스템은 공간의 차원을 바꾸어 생각하면 같다. 하나는 전자와 광자의 미세한 이야기, 다른 한쪽은 중력이 작용하는 우주의 이야기, 그것을 같은 방정식으로 표현할 수 있다면 여러 힘은 동일한 것일지도 모른다. 17종류의 소립자도 실제로는 하나로 보이는 방법이 다를 뿐일지도 모른다. 전혀 다른 패러다임에 과학을 이끌 가능성을 가지고 있다.
우주관과 물질관을 바꾸어 버리는 초끈이론은 궁극의 이론이라고도 불린다. 하지만 그것을 증명하는 직접적인 실험결과는 아직 없다. 힉스입자를 발견한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC) 등에서도 증거를 찾고 있다. 우리가 살아있는 동안 증거가 발견되고 새로운 과학의 지평이 열리길 기대한다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 素粒子を紐解き、宇宙を知る https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/story/2020/specialite_002_3
특정 물질을 극저온 상태로 냉각하면 전기저항이 사라지고 높은 전도성을 가진 '초전도'라는 상태가 되는 것으로 알려져 있습니다. 초전도는 리니어 모터카나 MRI 등에 응용되고 있는데 실은 물질이 도전성을 획득하는 메카니즘을 설명할 수 있는 간단한 이론은 발견되지 않았습니다. 미시간대학의 연구팀은 새롭게 슈퍼컴퓨터를 이용해 종래의 이론으로 초전도를 설명할 수 있는 것은 알려진 물질의 50%라는 결과를 도출했습니다.
초전도라는 물리현상은 1900년대 초반에 발견되어 그 후 1950년경에 역방향의 스핀을 가지는 전자끼리에 인력(쿠퍼쌍)이 생기는 것으로 인해 전류가 자유롭게 왕래할 수 있게 된다는 초전도의 메커니즘을 설명하는 이론이 나왔습니다. 그러나 이 이론이 적용되지 않는 비교적 고온에서 초전도성을 획득하는 물질이 여럿 발견되고 있고 모든 물질에 있어서의 초전도를 설명할 수 있는 이론은 아직 확립되어 있지 않습니다.
미시간대학의 연구팀에 따르면 초전도의 메커니즘을 설명하기 위해서는 전자와 스핀의 상호작용을 알아야 한다는 것. 연구팀은 실제로 상호작용을 추구하기 위한 모델을 도출하고 슈퍼컴퓨터를 이용하여 전자와 스핀의 상호작용을 조사했습니다.
슈퍼컴퓨터를 이용한 조사 결과에서는 알려진 물질의 약 50%에는 역방향의 스핀을 가지는 전자에 의해 도전성을 획득한다는 기존의 이론이 적용되었다고 합니다. 한편 나머지 약 50%의 물질은 이 이론으로는 설명할 수 없었고 '전하의 흔들림'이 영향을 주고 있을 가능성이 나타났습니다.
연구팀은 "초전도의 메커니즘을 설명하는 하나의 단순한 이론이 존재할 이유가 없다"며 "놀랍게도 기존의 이론은 상당한 물질에 적용되지만 전부는 아니다”라고 설명했습니다. 또한 이번 연구결과가 초전도의 메커니즘 규명에 도움이 될 것으로 전망했습니다.
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전기차와 가솔린차의 차이는 단순히 모터를 움직이는데 사용되는 것이 전력이냐 가솔린이냐는 점뿐만 아니라 에너지효율에서도 큰 차이가 있습니다. 실은 전기차의 에너지효율은 가솔린차에 비해 놀라울 정도로 높은데 그 이유에 대해 예일대학의 기후에 관한 홍보 사이트 Yale Climate Connections가 정리했습니다.
지질학 및 기후학 관련 작가인 칼린 커크 씨는 가솔린 차량에 사용되는 내연기관은 근본적으로 비효율적이라고 지적합니다. 가솔린차는 연료가 되는 가솔린에 포함되는 에너지의 약 80%를 낭비하는데 실제로 바퀴를 앞으로 진행시키기 위해 이용되는 에너지는 약 20%에 불과하다는 것.
내연기관이 비효율적인 이유는 열역학적 이유 때문입니다. 내연기관은 액체연료를 가열하여 가압가스를 생성하고 피스톤을 눌러 크랭크샤프트를 돌려 바퀴를 회전시키는데 그 과정에서 많은 에너지가 열 등으로 변환되어 도망가 버리기 때문에 바퀴에 도달하는 에너지는 제한됩니다.
가솔린차에서 낭비되는 에너지와 바퀴에 도달하는 에너지를 나타낸 이미지를 살펴보면 가솔린에 포함되는 에너지의 약 68~72%는 엔진의 폐열이 되고 4~6%가 엔진의 냉각시스템 등의 동력으로서 사용되며 트랜스미션 등의 가동부품에서 기계적 마찰로 3~5%의 에너지 손실이 발생합니다. 또한 오디오나 라이트 등의 보조전기 부품에 사용되는 에너지는 최대 2%라서 최종적으로 바퀴의 동력이 되는 에너지는 가솔린 전체의 16~25%에 불과합니다. 즉 약 8000원으로 5리터의 가솔린을 구입해도 차가 이동하는데 사용되는 앙은 1리터로 나머지 4리터는 다른 곳에서 소비되어 버린다는 것입니다.
연비가 좋은 차는 더 가볍고 작으며 공기역학적으로 뛰어나므로 구동 부품에 도착하는 에너지를 최대한으로 이용하는 것은 가능하지만 내연기관의 구조상의 에너지 손실을 회피할 수는 없습니다. 커크 씨는 “가장 연비가 좋은 가솔린차조차 이러한 에너지 손실을 피할 수 없다”며 가솔린차보다 효율적인 디젤엔진에서도 60% 정도의 에너지가 열 등으로 손실된다고 설명합니다.
한편 전기차는 가솔린차와 완전히 다른 시스템으로 에너지는 전기 형태로 차량에 충전되어 액체연료를 태워 가스로 만들기와 같이 다른 에너지로 변환되지 않고 직접 구동부품에 에너지를 공급합니다. 전기모터는 내연기관과 비교하면 가동부품이 매우 적은 구조이며 움직이는 과정에서 에너지 손실도 적은 것 외에도 바퀴의 회전을 발전기로 하는 회생 브레이크에 의해 마찰이나 열로서 손실되는 에너지를 전기에너지로 회수할 수도 있습니다.
전기차의 에너지효율을 나타낸 이미지를 살펴보면 충전시에 10% 정도의 에너지 손실이 발생하는 것 외에 약 18%가 구동 프로세스에서 손실되고 약 3%가 냉각시스템 등에서 손실됩니다. 또한 보조 전기부품에서 소비되는 에너지량은 최대 4%로 겨울에 난방을 위해 폐열을 사용하기 어려운 경우도 다소 가솔린 차량보다 많습니다. 그러나 구동부품에 도달하지 않고 손실되는 에너지 손실은 31~35%에 그치고 회생 브레이크에 의한 에너지 회수율이 22%이기 때문에 종합적으로는 충전에너지의 87~91%가 바퀴를 움직이는 데 사용된다는 계산입니다.
미국에서는 하루 890만 배럴(약 14억1500만 리터)의 자동차용 가솔린이 사용되는데 에너지적으로 보면 전체의 약 8할이 열이나 마찰 등으로 낭비되고 있어 차량의 추진에 이용되고 있는 양은 불과 180만 배럴(약 2억 8600만 리터) 상당의 에너지에 지나지 않습니다. 만약 가솔린차를 전부 전기차로 대체할 경우 소비되는 에너지 총량은 11%의 에너지 손실을 더해도 기껏해야 가솔린 200만 배럴(약 3억 1800만 리터) 상당이며 대폭적인 비용과 에너지의 절약을 달성할 수 있습니다.
물론 전기의 발전에도 에너지 손실은 생겨 버리기 때문에 연료가 되는 화석연료나 원자력 등에 포함되는 에너지가 모두 전기에너지로 변환되는 것은 아닙니다. 그러나 발전소는 가솔린차의 내연기관보다 효율적이기 때문에 석탄/원자력발전의 에너지효율은 약 33%, 천연가스발전소라면 약 44%이고 수력발전에 이르면 약 90%의 발전효율을 자랑합니다.
발전소의 에너지효율을 고려하여 전기차의 에너지효율을 나타낸 이미지를 살펴보면 석탄화력발전의 에너지효율은 31%, 천연가스발전 48%, 수력발전이 75%로 가솔린차를 웃도는 효율로 에너지를 추진력으로 바꿀 수 있습니다.
더해 커크 씨는 전기차의 배터리 제조 프로세스에 필요한 에너지는 가솔린의 약 74갤런(약 280리터) 상당이라며 전기차로 전환하면 순식간에 충당할 수 있다고 설명합니다.
커크 씨는 세계 규모로 에너지를 탈탄소화하는 것은 거대하고 어려운 과제라고 인정하면서도 자동차 분야에서는 전기차로의 이행으로 대폭 개선할 수 있다며 “전기차는 주행효율을 대폭 향상시켜 이산화탄소와 환경오염물질 배출량을 줄일 수 있으며 동시에 에너지 수요 전체도 줄일 수 있는 쉬운 방안"이라고 보았습니다.
by Michael Fousert https://unsplash.com/photos/O63S96_qn8c
Apple의 광고 비즈니스는 업계를 격변시킨 프라이버시 규정인 'App Tracking Transparency'를 도입한 이후 폭발적인 급성장을 이루고 있으며 최근에는 프라이버시를 이유로 타사 광고를 제한해 자사의 광고 비즈니스를 확대하고 있다는 비판의 목소리도 높아지기 시작했습니다. 그런 애플이 어떤 방법으로 경쟁사를 제치고 자사의 광고 네트워크를 확대했는지에 대해 라이터 네이선 보 씨가 설명했습니다.
애플의 팀 쿡 CEO는 2019년 Time 잡지에 기고한 기사에서 '소비자에게는 프라이버시를 지킬 권리가 있다'는 메시지를 발신했습니다. 하지만 쿡 CEO가 대기업의 최상위라는 점을 감안하여 이 메시지를 읽으면 다른 빅테크와 달리 애플은 소비자의 프라이버시를 지킨다는 메시지가 담겨있습니다.
2019년 당시 애플의 광고 비즈니스는 5억 달러(약 5500원) 규모로 아마존의 130억 달러, 페이스북의 690억 달러에 크게 못 미치는 상태였습니다.
이 시점에서 세 가지를 볼 수 있습니다. 첫 번째는 애플은 서비스 사업을 확대하고 싶었고 두 번째는 애플은 스토리의 힘을 이해하고 있었으며 세 번째는 애플은 자신들이 사용할 수 있는 스토리를 발견했다는 것. 그리고 애플이 발견한 스토리가 앞서 언급한 프라이버시 규정이었습니다. 이 착안점에 대해 보 씨는 “Apple은 사상 가장 효과적인 마케팅 캠페인을 시작한 것”이라고 평가했습니다.
그리고 애플은 2019년~2021년에 걸쳐 엄청난 비용을 들여 반복적으로 프라이버시의 중요성을 전파해 자사의 스토리를 넓혔습니다. 이는 단순한 마케팅 범위를 벗어나 모든 소비자 비즈니스의 방식을 바꿀 수 있는 대규모 제품 업데이트의 기반구축으로 발전합니다.
그리고 만나게 출시된 iOS 14.5에서 애플은 스토리를 실제로 구현했습니다. 이 버전에서 앱을 열면 iPhone이 해당 앱에 추적할지 여부를 사용자에게 요청합니다. 그리고 아무도 페이스북에 추적되기를 원하지 않았습니다. 그 결과 사용자가 추적을 거부하는 비율이 95% 이상에 도달했다고 합니다.
이 변화가 경쟁사에게 가져온 결과는 분명했습니다. iOS 14.5가 출시된 이후 주가지수 S&P 500은 2.8% 상승했지만 같은 기간 메타의 주가는 마이너스 40%, Snapchat을 다루는 Snap의 주가는 마이너스 80%, 캐나다의 전자상거래 기업인 Shopify의 주가는 마이너스 66%로 크게 하락했습니다.
보 씨는 Meta와 Snap의 실적이 떨어진 이유는 데이터 수집이 어려워지고 타겟팅을 좁힐 수 없어 양사의 광고주가 고객을 확보하는 데 필요한 비용이 상승했기 때문이라고 보고 있습니다.
Shopify는 전자상거래 기업이기 때문에 광고사업에서 직접 받는 영향은 크지 않지만 Shopify에서 사업을 하고 있는 수천 개의 중소기업이 비용상승에 직면한 영향으로 Shopify의 실적도 Apple의 프라이버시 전략의 영향을 받았습니다.
Apple은 사용자가 추적을 거부하면서 Apple의 '개인화된 광고'를 활성화시키도록 했습니다. 이러한 전략은 대성공을 거두었고 2019년에는 5억 달러 미만이었던 광고 비즈니스는 2022년에는 약 40억 달러(약 5조 4000억 원)로 급증했습니다. 이에 질리지 않고 애플은 '맵' 등 자사 앱에도 광고를 게재시킬 계획이 Bloomberg에 의해 보도되었습니다.
보 씨는 iOS 14.5의 교묘함은 "다른 당사자 간의 데이터 교환을 금지하고 있는 한편 단일 플랫폼 내에서 데이터가 교환되는 것은 금지되어 있지 않다"는 점에 있다고 지적했습니다. 왜냐하면 애플이 그 단일 플랫폼이므로 데이터를 외부로 가져오지 않아도 개인정보를 충분히 활용할 수 있기 때문입니다.
애플이 광고사업을 급성장시킨 전략에 대해 보 씨는 “애플을 비난할 생각은 없지만 무엇이 희생됐는지 이해하는 것이 중요합니다. 즉 애플은 스토리를 무기로 경쟁사를 걷어차고 그 과정에서 중소기업을 파괴했으며 자사의 광고 비즈니스를 강화했다"고 평가했습니다.
최근 몇 년 동안 온라인 택배주문의 보급과 현금을 많이 가지고 다니지 않은 사람들의 증가로 소매업계의 신용카드 지배력이 점점 강화되고 있습니다. 소매업체가 신용카드 회사에 지불하는 비용도 문제시되고 있는 가운데 Visa나 Mastercard 등의 신용카드 회사에 의한 지배체제에서 벗어날 수 있냐는 주제에 대해 경제미디어 The Economist가 정리했습니다.
신용카드 회사나 은행은 카드결제로 발생하는 매출의 일부를 교환수수료 명목으로 가맹점으로부터 징수해 큰 이익을 얻고 있습니다. 전미소매업협회는 미국의 소매업자가 연간 1380억 달러(약 188조 원)를 교환수수료로 지불하고 있어 부담은 판매가격의 상승으로 이어지면서 소비자에게도 전가되고 있다고 주장했습니다.
EU에서는 신용카드의 교환수수료가 거래액의 0.3%, 체크카드는 0.2%로 제한되어 있지만 미국에서는 약 2%로 교환수수료의 비율이 큰 것으로 알려져 있습니다. 미국 내 신용카드 결제의 4분의 3 이상을 차지하는 Visa와 Mastercard는 그 수혜를 강하게 받고 있는데 2021년의 순이익률은 Visa가 51%, Mastercard는 46%로 매우 높은 비율을 자랑합니다.
가맹점에서의 거래로부터 결제 처리, 사용자의 은행계좌로부터의 인출해 최종적인 가맹점에의 지불까지를 실시하는 카드 네트워크는 신용카드 브랜드, 신용카드의 발행을 담당하는 은행이나 기업, 거래처리 센터 등으로 구성되어 있습니다. 미국 소비자들은 2016년 거래의 45%를 신용카드 또는 체크카드로 했지만 2021년에는 57%로 상승하는 등 카드 네트워크는 지배력을 점점 강화하고 있습니다.
교환수수료는 카드 네트워크를 구성하는 기업에 의해 징수되며 일부는 보험, 마일리지, 포인트 등의 혜택으로 환원됩니다. 그러나 일반적으로 가난한 가정일수록 지불한 교환수수료를 혜택으로 회수할 수 있는 비율이 낮아지는 것 외에 환원 시스템의 일부는 규제당국이나 입법자 등에 의해 제공되어야 하는 소비자보호에 자금이 제공되고 있다고 The Economist는 지적했습니다.
예를 들어 거래에 문제가 있을 경우 카드회사가 결제를 취소하거나 사기 거래로부터 사용자를 보호하는 것이 이에 해당합니다. "요컨대 미국인은 소비자를 보호하기 위해 법률과 규제에 의존하는 것보다 자본주의와 경쟁에 의존한다"고 The Economist는 말합니다.
카드 네트워크의 존재감이 강해지는 소매업계에 있어서 1개의 해결책이 될 수 있는 것이 신용카드 결제할 때에 교환수수료에 상당하는 추가 요금을 징수하는 방법입니다. 실제로 미국에서는 2013년 Visa와 Mastercard를 상대로 일어난 집단소송에서 가맹점이 신용카드 결제 시 추가요금을 징수하는 것을 금지해서는 안 된다는 판결이 내려졌습니다. 그러나 다양한 조건의 카드가 혼재하고 있는 상황에서 여전히 추가 요금의 징수는 어렵습니다.
신용카드 회사에 의한 소매업계의 지배는 상당히 견고하지만 2022년 7월에는 카드 네트워크의 규제를 요구하는 초당파의 의원에 의해 Credit Card Competition Act(신용카드 경쟁법)가 제출되었습니다. 이는 은행이 가맹점에 특정 카드 네트워크뿐만 아니라 여러 카드 네트워크를 제시할 것을 의무화하는 것으로 교환수수료가 적은 신흥 카드 네트워크가 진입하기 쉽게 하는 것을 목적으로 합니다.
by Clay Banks 출처:https://unsplash.com/photos/c2a0TydMlAs
또한 최근에는 다양한 하이테크 대기업이 앱을 이용한 결제옵션을 제공하기 시작했으며 그 영향력이 강해지면 기존 신용카드 회사가 강한 경쟁을 노출될 가능성이 있다고 The Economist는 보았습니다. 그리고 소비자가 적극적으로 신용카드에서 다른 결제옵션으로 전환하지 않아도 교환수수료를 삭감하고 싶은 소매업자 측이 독자적인 혜택을 제공해 결제옵션의 전환이 진행될 가능성도 있습니다.
The Economist는 2020년 Visa가 Fintech 기업인 Plaid를 53억 달러로 인수하려고 시도했지만 사법성이 독점금지법에 해당한다고 제소했기 때문에 인수를 단념한 사례를 들어 신용카드 회사는 새로운 결제옵션에 위협을 느끼고 있다며 결제 대기업 2사가 신중하게 쌓아올린 카드의 집은 견고하고 오랜 역사가 있지만 파괴할 수 없는 것은 아니라고 평가했습니다.
자기장은 전류 주위에도 만들 수 있습니다. 즉 전류가 흐르고 있는 곳에서는 자력이 작용하고 있는 것입니다. 이 자력은 도선이 뻗은 형태보다 스프링처럼 빙글빙글 감은 코일형태일 때 더 강해집니다. 여기에 전류를 흘리면 자기장이 발생하여 코일은 자석의 성질을 가지게 됩니다. 이와 같이 전류를 흘리면 강한 자력을 발생시키는 것을 '전자석'이라고 합니다.
전자석은 영구자석과 달리 전류의 방향에 따라 자력선의 방향이 바뀝니다. 전류의 강도나 코일을 감는 수, 도선의 두께 등에 의해 자력은 강해지거나 약해집니다. 코일 안에 철심을 넣으면 그 철심도 자석이 되어 보다 강한 자력을 낼 수 있게 됩니다.
전자석은 전류를 흘려 N극과 S극을 자유롭게 바꿀 수 있거나 코일을 만드는 방법에 따라 자력을 강력하게 할 수 있다는 성질이 있습니다. 이것을 이용한 이동수단이 리니어 모터카(Linear motor car)입니다. 리니어 모터카의 구조는 바퀴에 의존하지 않기 때문에 시속 500km를 넘는 주행속도를 내는 것도 가능합니다. 리니어 모터카는 차량에 전자석을 붙이고 주행로에도 전자석을 여러 개 늘어놓습니다. 이 상태에서 전자석에 전류를 흘리면 서로 다른 극끼리 반발하는 힘과 같은 극끼리 끌어당기는 힘이 발생하는데 그 힘을 이용하여 차량을 부상시켜 앞으로 움직일 수 있습니다.
리니어 모터카의 작동방식은 일부 지하철에서도 사용됩니다. 지하철에는 바퀴도 붙어 있지만 리니어 모터도 붙어 있습니다. 바퀴로 차량을 지지하고 리니어 모터로 앞으로 나아가는 방식으로 급곡선이나 가파른 언덕을 안전하게 달리는 것이 가능해집니다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 電流で磁石がつくれるってホント？ https://www.kepco.co.jp/sp/energy_supply/energy/kids/science/topic09.html
공룡이 육지의 패자가 되기 전부터 바다를 헤엄치고 있던 상어는 생물의 99%가 멸종한 마지막 대량 멸종을 포함해 빅 5라고 불리는 5회의 대량 멸종 중 4회를 살아남았습니다. 이처럼 오랫동안 상어가 계속 번영하는 비밀을 과학계 뉴스사이트 Live Science가 정리했습니다.
약 4억 년에 등장한 상어는 약 2억 4천만 년 전에 출현한 공룡이나 약 3억 9천만 년 전에 육지에서 진화한 수목보다 오래된 종입니다. 이 정도까지 오랫동안 상어가 생존을 계속하고 있는 이유 중 하나는 환경에 맞게 유연하게 생리기능을 변화시킬 수 있었기 때문이라고 생각되고 있습니다.
가오리 등과 같은 연골어류로 분류되는 상어는 골격 대부분이 연골로 만들어져 있으며 기온이 높아지면 몸을 작게 하는 적응을 비교적 빠르게 할 수 있습니다.
예를 들어 2016년에 발표된 논문에 따르면 캐나다의 세인트 로렌스만 남부에 서식하는 가오리의 일종은 7000년 동안 수온이 10도 상승해도 적응하여 몸 크기를 45%나 줄였다는 것. 진화라는 관점에서 보면 7000년이라는 기간은 매우 짧기 때문에 과학자들은 자연도태로 서서히 몸이 작은 개체가 선택되어 가는 것이 아니라 환경요인에 의해 유전자의 발현이 변화하는 후성적 반응으로 추정하고 있습니다.
캘리포니아 주립대학교 롱비치교의 상어연구소에서 소장을 맡고 있는 크리스토퍼 로우 교수에 따르면 일부 상어에는 게놈이 매우 크다는 특징이 있으며 지금은 도움이 되지 않는 게놈 중에는 과거에 일어난 환경의 변화를 견디는데 사용된 것이 포함되어 있을 가능성이 있다고 합니다.
수온의 변화뿐만 아니라 상어와 가오리를 포함한 판새아강(板鰓亞綱)이라고 불리는 그룹의 물고기는 담수와 해수라는 수질의 변화에도 대응하고 있으며 이 능력을 가진 상어로서는 기성 거칠고 흉포한 상어로 알려진 황소상어(Bull shark)가 특히 유명합니다. 이러한 능력은 지구의 기온변화로 인해 얼음이 녹아 대량의 담수가 바다에 들어왔을 때 도움이 되었다고 합니다.
게다가 상어 대부분은 육식동물이라고 생각되고 있지만 실은 그 이외의 것도 먹을 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 예를 들어 해초 서식지에서 자주 발견되는 보닛헤드 샤크(Bonnethead shark)는 주로 게와 문어를 먹고 있지만 해초를 먹어도 소화할 수 있다는 사실이 2018년의 연구에서 확인되었습니다.
플로리다주 상어연구프로그램에서 디렉터를 맡고 있는 개빈 네일러 씨는 “이 만능성이 상어의 번영을 지지하고 있을 가능성이 크다”고 말합니다.
이처럼 지금까지 상어는 그 유연한 적응력으로 능숙하게 과거의 대량 멸종을 살아왔지만 현대의 상어는 인류가 일으키고 있는 6번째의 대량 멸종이라는 전대미문의 시련에 직면하고 있습니다.
네일러 씨는 “상어는 과거의 기후변화에 잘 대처해 왔지만 현재의 상어와 가오리가 가지고 있는 가장 큰 문제는 남획"이라며 생태계의 정점에 군림하는 상어가 남획으로 감소해 생태계의 균형이 무너진 경우의 영향은 헤아릴 수 없다고 위기감을 나타냈습니다.
특히 남성에서 자주 보이는 남성형 탈모증의 치료제로서 유망한 물질을 특정했다는 논문이 미국 과학지 Developmental Cell에서 발표되었습니다. 모발의 성장에 필요한 세포를 '휴면모드'에서 '활성모드'로 전환시키는 물질이 밝혀진 것으로 기존 치료제보다 효과적인 탈모치료가 가능해질 것으로 기대되고 있습니다.
사람의 머리에 있는 모낭에는 모유두세포라는 세포의 집합체가 있으며 이 세포는 모발 성장에 중요한 역할을 합니다. 그러나 남성형 탈모증에서는 남성호르몬의 작용으로 인해 모유두세포가 기능부전에 빠져 모낭이 활성화하는 프로세스가 억제되며 서서히 머리가 자라지 않게 되어 버립니다.
빠진 털이 다시 자라서 성장한다는 사이클이 정상적으로 기능하기 위해서는 휴면하고 있던 모유두세포를 활성화시키는 자극이 필요하지만 어떤 물질이 모유두세포를 활성화시키는지에 대해서는 지금까지 거의 알지 못했습니다.
이에 캘리포니아대학에서 세포생물학을 가르치고 있는 Maksim Plikus 씨 연구팀은 어떤 화학물질이 모유두세포의 작용을 활성화시키는지를 조사하는 실험을 실시했습니다.
연구팀은 먼저 모유두세포가 과도하게 활성화되고 평소보다 털이 과도하게 자라는 실험쥐를 연구했습니다. 연구 결과 'SCUBE3'라는 물질에는 모발의 성장을 촉진하는 신호전달 물질로서 지금까지 알려지지 않았던 기능이 있는 것으로 드러났습니다.
이 발견에 대해 Plikus 씨는 “모낭의 라이프사이클이 다른 시기에 완전히 똑같은 모유두세포가 모낭을 휴면상태로 유지할지 새로운 모발을 나게 할지를 결정하는 신호를 발합니다. 이번 연구에서는 모유두세포가 자연스럽게 만들어내는 SCUBE3가 모유두세포 옆에 있는 모낭 줄기세포에 분열을 시작하라고 명령한 결과 새로운 머리카락이 나는 것으로 밝혀졌다”고 설명했습니다.
모유두세포를 활성화시키는 물질을 발견한 연구팀은 다음으로 인간의 모낭을 실험쥐에 이식한 후 실험쥐의 피부에 SCUBE3를 주입하는 실험을 실시했습니다. 그 결과 휴면상태에 있던 인간의 모낭과 실험쥐의 모낭 양쪽 모두가 새롭게 성장하는 모습이 확인되었습니다.
다음은 SCUBE3에 의해 자란 머리카락의 사진입니다. 중심 부근에 있는 두꺼운 머리카락이 실험쥐에 이식된 인간의 모낭으로부터 자란 머리카락으로 그 주위에 있는 작은 머리카락이 실험쥐의 털입니다.
by Nitish Shettigar, Plikus lab 출처:https://scitechdaily.com/images/SCUBE3.jpg
논문의 공동 필두저자인 캘리포니아대학의 Christian Guerrero-Juarez 씨는 “이 실험들은 SCUBE3와 그 파생 분자가 탈모증의 유망한 치료제가 된다는 실증 데이터를 제공했다”고 평가했습니다.
미 식품의약품국이 승인하고 있는 남성형 탈모증의 치료약은 현재 피나스테리드(finasteride)와 미녹시딜(Minoxidil) 2종류가 유통하고 있지만 효능이 만족스럽지 않고 복용도 매일 하지 않으면 안됩니다.
Plikus 씨는 “새로운 효과적인 탈모증 치료제가 강하게 요구되고 있는 가운데 모유두세포에 자연적으로 존재하는 천연 유래 화합물은 이상적인 차세대 치료제의 후보"라며 "이번 인간 모발 이식모델에서의 시험은 SCUBE3의 임상시험을 위한 안전성 조사의 가능성을 검증했다"고 보았습니다.
1, 2, 3으로 순서대로 10까지 더한 합계는 55다. 그렇다면 이것이 10이 아니라 무한대라면 어떻게 될까. 유한한 경우의 방법은 사용할 수 없다. 이 답은 놀랍게도 '-1/12'가 되었을 때로 18세기의 수학자인 오일러가 복소수의 해석학을 이용해 도출했다. 이번 숫자 '11차원'을 이끌어내는 중요한 소품이다.
이 차원이란 무엇인가. 한 점의 위치를 결정하는데 필요한 수치의 개수라는 설명이 알기 쉬울 것이다. 1차원은 직선의 세계로 원점으로부터의 거리만으로 위치는 정해진다. 2차원은 평면에서 세로와 가로 2개, 3차원이라면 거기에 높이를 더한 3개의 수치가 있으면 된다. 우리가 사는 공간은 3차원이고 시간을 더하면 4차원의 시공간이 된다. 하지만 5차원 이상은 갑자기 눈에 띄지 않게 된다.
무리해서 말하면 데이터베이스에서 하나의 샘플이 날짜, 장소, 연령, 수량 등 많은 속성(차원)을 가지며 각각의 값을 사용하면 데이터 공간 안의 위치를 특정할 수 있는 것과 비슷할지도 모른다. 무엇보다 데이터의 속성은 서로 무관하고 공간의 차원과는 본질적으로 다르지만...그런 세계를 제시하는 것이 우주의 궁극의 성립을 찾는 초끈이론이다.
물질의 세부사항을 살펴보면 원자, 원자핵, 소립자와 새로운 입자가 나타난다. 그 앞에는 한 종류의 극도로 작은 끈이 있다고 생각하는 발상이 그 이름의 유래다. 끈이 다양한 진동을 하는 것으로 인해 다양한 종류의 소립자가 나타난다.
끈의 진동은 1, 2, 3배…라는 정수배가 된다. 진동은 에너지이기도 해 질량에도 연결된다. 이것을 초끈이론으로 광자의 질량을 구하는 식에 적용한다. 자세한 것을 생략한 식은 아래와 같다.
2+(차원수-1)×(1+2+3+・・・・)×3=0
(1+2+3+…)는 진동수를 나타내는 부분이다. 여기에 앞의 오일러의 답 '-1/12'를 대입한다. 광자의 질량은 0이므로 차원 수는 9가 될 수 있습니다.
하지만 현실의 세계는 3차원. 나머지 6차원은 어디에 있는 것일까. 비유로 사용되는 것이 줄다리기다. 줄다리기를 하는 사람에게는 줄다리는 앞이나 뒤에만 진행할 수 있는 1차원 세계. 하지만 줄다리 위를 기어다니는 개미가 있다면 개미는 전후 좌우와 평면처럼 움직일 수 있는 2차원 세계로 인식할 것이다. 즉 개미가 보고 있는 평면은 줄다리를 하고 있는 사람에게는 숨겨져 있다는 것이다.
이렇게 나머지 6차원의 공간은 매우 작아 인식은 할 수 없지만 이 3차원 공간 안에 존재한다. 수학적으로 보여지는 세계이다.
이 초끈이론의 9차원은 끈과 끈 사이에 작용하는 힘이 강해진 특수한 경우에는 차원이 하나 증가하여 10차원이 되고 시간을 더해 11차원의 시공간이 된다.
공간이 늘어나거나 줄어든다니 상상을 넘어선다. "공간은 환상"이라고 이론물리학자인 오구리 박사는 표현했다.
초끈이론은 아직 이론 단계로 실험에서 확인될 날은 훨씬 미래다. 하지만 100년 전에 아인슈타인이 만들어낸 상대성이론이 지금은 전지구 측위시스템(GPS)의 정확성을 유지하는데 빼놓을 수 없듯이 초끈이론도 언젠가 실제 기술과 연결될지도 모른다.
출처 참조 번역 - Wikipedia - 「11次元」超弦理論による次元の数：数字で見る https://www.ctc-g.co.jp/bestengine/article/2019/0423a.html
빗물에는 폴리플루오로알킬 화합물(PFAS)이라는 자연계에 존재하지 않는 인공 화학물질이 포함되어 있습니다. 최근 PFAS는 위험물질로 취급되고 있으며 국제적으로 가장 엄격한 PFAS 관련 지침에 비추어 볼 때 빗물은 전 세계 어디에서나 안전하게 마실 수 없을 가능성이 있다고 스톡홀름대학의 연구자들에 의해 발표되었습니다.
인공의 화학물질인 PFAS는 비점착성이나 방오성이 뛰어나 식품의 포장이나 전자기기, 프라이팬의 눌러붙음 방지 등에 널리 이용되고 있습니다. 최근에는 PFAS의 유해성이 주목받고 있으며 2021년 10월에는 미국의 바이든 대통령이 PFAS의 규제를 발표하면서 맥도날드와 아마존이 식품포장에 사용하던 방식을 그만두고 대책을 찾아 움직이고 있습니다.
또한 PFAS에 포함되어 있는 퍼플루오로옥탄산(PFOA)은 암의 원인으로 알려져 있습니다. 그 때문에 미 환경보호청(EPA)이 정하는 '수중에 포함되는 PFOA의 안전 가이드라인 수치'는 20년 전에 설정되어 있던 값의 3750만분의 1까지 낮아졌습니다. 논문에서 스톡홀름대학의 이안 카즌스 씨는 “전 세계의 많은 사람은 빗물이 안전하게 마실 수 있을 것으로 기대하고 음용원으로 생각하고 있으나 EPA의 최신 PFOA 가이드라인에 따르면 빗물에 포함된 PFOA 값은 안전 기준을 크게 초과하고 있으며 빗물은 세계 어디서나 안전하게 마실 수 없다고 판단된다”고 말합니다.
아래의 이미지는 빗물에 포함되는 PFOA, 퍼플루오로옥탄술폰산(PFOS), PFOA나 PFOS 등을 복수 조합한 PFAAs의 양을 장소마다 계측해 그래프화한 것으로 맨 위는 PFOA에 대한 그래프이고 파선은 미국의 최신 건강 기준치를 보여줍니다. 중간은 PFOS에 대한 그래프로 파선은 미국의 건강 기준치와 EU가 설정하는 유해 기준치를 나타냅니다. 하단은 PFAAs의 그래프이며 물결선은 덴마크의 식수 가이드라인을 나타냅니다. 푸른 막대 그래프는 샘플이 '불소 폴리머 공장' 근처에서 채취된 것, 노란 막대 그래프는 '도시', 녹색 막대 그래프는 '농촌', 빨간 막대 그래프는 '인구가 적은 시골'로 각각 샘플이 채취되었습니다. 그래프에 따르면 빗물의 PFOA 수준은 어느 곳에서나 미국의 건강 기준을 초과한다는 것을 알 수 있습니다. 또한 인구가 적은 시골 지역을 제외하면 PFOS 및 PFAAs 값이 대부분의 장소에서 미국의 건강 기준을 웃도는 결과가 나왔습니다. 논문에 따르면 PFAS 수준이 비교적 낮은 지역도 지구상에 있지만 남극이나 티베트 고원 등의 한적한 지역에서도 빗물 중에 기준치를 넘은 PFAS가 발견되었다고 한다.
PFAS는 자연계나 체내에서 분해되기 어렵고 일단 생성되면 축적되기 쉽기 때문에 영구적으로 남는 화학물질이라고도 불리고 있어 불임증이나 암의 리스크 증가, 아이의 발달지연에 관련있을 가능성이 크다고 생각됩니다.
논문에서 사용된 PFAS 기준치는 국제적으로 가장 엄격한 가이드라인에 근거한 것으로 PFAS의 국제 가이드라인으로 대표하는 것은 아닙니다. 또한 PFAS나 PFOA는 환경이나 인체에 계속 남아 있는 물질이지만 건강상태의 악화와의 직접적인 인과관계가 증명되고 있는 것은 아니라고 주장하는 의견도 있습니다. 한편 스톡홀름대학의 연구결과를 받아 PFAS에 대한 보다 엄격한 제한을 요구하는 목소리도 높아지고 있으며 취리히의 식품포장재단에서 매니징 디렉터를 맡고 있는 제인 문케 씨는 “수백만 명의 음용수를 오염시키고 심각한 건강문제를 일으키는 반면 일부 사람들이 경제적으로 이익을 얻고 있습니다. 음용수의 PFAS를 안전한 수준으로 낮추는 데 드는 엄청난 비용은 이러한 독성 화학물질을 제조하고 사용하는 산업이 지불해야 한다”고 규제에 대한 목소리를 높였습니다.
세계 최대의 컴퓨터 네트워크 기기 회사 Cisco의 위협 인텔리전스팀 Talos가 사이버공격을 할 때 사용되는 C2(C&C:Command&Control) 서버를 쉽게 준비해 준다는 'Dark Utilities'라는 서비스의 존재를 폭로했습니다. 이용료는 9.99유로(약 13700원)로 약 3000명이 등록한 상태라고 합니다.
Talos에 의하면 Dark Utilities는 2022년 초에 확립된 C2aaS(C2-as-a-Service) 모델의 C2 플랫폼. 사이버공격을 받은 피해자 시스템에서 실행되는 코드로 구성된 페이로드를 제공하고 피해자의 시스템을 서비스에 등록하여 C2 통신채널을 설정합니다. Windows, Linux 및 Python 기반 페이로드를 지원하며 공격자는 개발 리소스를 할당하지 않고도 여러 아키텍처를 대상으로 할 수 있다는 것.
Dark Utilities를 만든 Inplex-sys라는 집단은 Discord와 Telegram에서 지원을 제공하고 있습니다. Talos의 조사에서도 뚜렷한 정체는 알 수 없었고 활동기간은 그다지 길지 않다는 것. 또 Inplex-sys가 단독으로 관리와 개발을 했다는 징후도 없다고 합니다.
조사에 의하면 Steam에서 Inplex-sys의 이름이 사용되고 있고 Dark Utilities를 선전하는 활동과 동시에 Discord나 Twitch의 공격에 사용되는 Smart Bot에도 링크가 존재하는 것으로 보아 Smart Bot 프로젝트에 종사하는 여러 개인이 Inplex-sys와 협력관계에 있는 것으로 보입니다.
덧붙여 플랫폼, 관련 페이로드 및 API 엔드 포인트에 프리미엄 액세스를 이용하기 위한 비용은 9.99유로로 등록자 수는 3000명 정도.
제공하는 기능의 내용에 비해 비교적 저렴한 가격으로 멀웨어에 독자적인 C2 구현을 작성하지 않고 시스템을 침해하려고 의도하는 공격자에게 매력적으로 비칠 가능성이 있어서 향후도 유저 수는 증가할 것으로 보입니다. 또한 이러한 종류의 C2aaS 모델 플랫폼은 개발력이 그다지 높지 않은 공격자에게 고도의 기능을 부여해 다양한 OS를 표적으로 한 공격을 신속하게 시작할 수 있도록 하기 때문에 기업과 조직은 이러한 플랫폼을 확실히 인식하고 보안과 제어를 확실하게 구현해야 한다고 Talos는 경고했습니다.
백색왜성이 반려성으로부터 헬륨을 빼앗아 무거워지면 백색왜성 표면에 모인 헬륨의 바닥에서 폭발적으로 헬륨의 핵융합반응이 일어나 최초의 폭발이 시작됩니다. 그 폭발이 방아쇠가 되어 백색왜성도 압축되고 중심 부근에서 탄소의 핵융합반응이 시작되며 그 반응이 별 전체에 퍼져 Ia형 초신성이 됩니다.
도쿄대학 대학원이 학계연구과의 강계안 대학원생, 도이모리 교수, 모야마 슌와 준교수 등의 연구그룹은 미국 하와이에 있는 구경 8.2m의 스바루 망원경을 이용하여 Ia형 초신성이라 불리는 별 폭발 직후에 특이한 현상을 발견했습니다. 게다가 해석 결과 이 현상은 Ia형 초신성 폭발을 일으키는 원리로서 제안되고 있던 가설의 하나에 대한 최초의 확실한 증거인 것을 알 수 있었습니다. 본 연구는 이 폭발원리를 규명하는 첫걸음으로 Ia형 초신성을 우주론적 거리측정의 표준광원으로 이용하는데 있어서 정밀도를 높이는 데도 도움이 될 것으로 기대됩니다.
별들 중에는 마지막으로 폭발하여 끝나는 것도 있습니다. 백색왜성이라고 불리는 고밀도 별은 연성을 이룰 때 상대의 별(반려성)에서 물질을 얻어 질량을 늘리고 자중을 지지하는 한계에 도달하거나 반려성과 합체한 후에 Ia형 초신성 폭발을 일으킨다고 추정됩니다. Ia형 초신성은 매우 밝고 모두 비슷한 광도를 가지므로 우주론적 거리지표로 사용됩니다. 2011년에 노벨 물리학상이 수여된 우주 가속팽창의 발견도 Ia형 초신성의 광도관측을 통해 얻은 성과의 유명한 사례입니다. 그러나 그러한 초신성 폭발이 어떻게 시작되는지는 알 수 없습니다. 지난 수십 년 동안 다양한 가설이 제안되어 왔지만 관측에 의해 검증된 것은 아닙니다.
도이모리 교수 연구그룹은 이러한 검증을 가능하게 하기 위해 폭발 후 며칠 이내의 Ia형 초신성을 포착하기 위해 스바루 망원경에 탑재된 세계에서 가장 뛰어난 광시야 카메라 Hyper-Suprime Cam을 이용한 관측을 2016년에 시작했습니다.
같은 해 4월에 초신성 폭발 직후의 희미한 빛을 포착하는 데 성공하여 관측된 Ia형 초신성의 광도는 최대 광도의 1% 이하였습니다. 그 후 세계 각지에 있는 8개의 망원경의 관측결과로부터 이 초신성은 Ia형임에도 불구하고 최초의 며칠간 과거에 관측된 Ia형 초신성과는 다른 밝기와 색의 변화를 나타낸 것으로 밝혀졌습니다. 이 특이한 현상의 원인을 탐구하기 위해 다양한 이론모델에 기초하여 많은 수치계산을 실시한 결과 이 초신성의 특징은 백색왜성 표면에 쌓인 헬륨층에서 헬륨 핵융합반응이 우선 폭주하고 다음에 그 폭주로 인해 생긴 충격파가 별의 내부에 전해져 중심 부근에서 탄소의 핵융합반응에 점화해 별 전체가 폭발한다는 시나리오(많은 백색왜성은 탄소와 산소로 이루어져 있다)로 설명할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 즉 1980년대 초에 제창된 Ia형 초신성의 폭발원리에 관한 하나의 시나리오가 현실의 우주에서 일어나고 있다는 것을 처음으로 보여준 확실한 증거를 포착한 것입니다.
"이 초신성을 출현 직후에 발견함으로써 Ia형 초신성은 어떻게 폭발을 시작하는지 처음 알 수 있었으며 폭발원리의 규명으로 이어질 것으로 기대된다"고 도이모리 교수는 설명했습니다. “또한 Ia형 초신성을 이용한 우주론적인 관측의 정밀도를 높이기 위해서도 도움이 될 것으로 보인다”고 전망했습니다.
The Guardian에 의하면 최근 몇 년에 걸쳐 하루의 단시간 기록이 잇달아 갱신되고 있다고 합니다. 2020년에는 지난 50년간 가장 짧은 28일을 기록했으며 그 중에서 가장 짧은 하루였던 7월 19일은 8만 6400초, 즉 24시간이 평소보다 1.47밀리초 짧아졌습니다. 게다가 이 기록은 2022년 6월 29일 다시 1일이 평소보다 1.59밀리초 단축되며 갱신되었습니다.
미미하지만 점차 가속하고 있는 지구는 장기적으로 보면 오히려 느려지고 있습니다. 공룡이 활약하고 있던 시대보다 훨씬 옛날인 14억 년 전의 하루는 불과 19시간이었다는 것. 지구는 조수간만의 차로 해수와 해저, 해안가 사이에서 일어나는 마찰 등이 원인으로 자전의 속도가 조금씩 늦어져 있어 현재의 약 24시간이라는 속도까지 감속했습니다.
by Alexis Antoine
The Guardian에 의하면 지구 내부의 코어나 지상의 해수, 상공의 가스 등이 자전에 의해 흔들림으로써 약간의 자전속도가 변화하고 있기 때문에 지구의 속도를 정확하게 예상하기는 어렵다고 합니다. 과거의 사례를 살펴보면 엘니뇨 현상으로 인해 바람이 강하게 불면 하루가 1밀리초 단위로 길어질 가능성이 있고 수마트라섬 앞바다 지진 정도의 거대 지진이 일어나면 반대로 하루가 3마이크로초 정도 짧아지는 현상이 확인되었다고 합니다.
가디언은 “이러한 서로 다른 프로세스들이 어떻게 결합되어 하루의 길이에 영향을 미치는지는 과학자들이 여전히 연구하고 있는 과제”라고 설명했습니다.
by NASA 출처:https://unsplash.com/photos/Q1p7bh3SHj8
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로 계산에 시간이 걸리기 때문에 해결이 사실상 불가능이라고 여겨진 문제도 해결할 가능성이 기대되고 있습니다. 예를 들어 다양한 암호화 기술의 핵심인 인수분해 계산도 양자컴퓨터로 순식간에 해결할 수 있습니다. 물론 오늘날의 암호화 기술이 가지는 보안성을 순식간에 파괴해 버릴 가능성은 있지만 동시에 지금까지 이상으로 해독이 어려운 암호를 개발할 수도 있습니다. 그 밖에도 원자 수준에서 양자역학을 시뮬레이션하거나 단백질이나 약품 등의 구조해석, 비행기 설계 등 온갖 분야에서 활약이 기대됩니다.
QPU란 양자컴퓨터의 두뇌를 말하며 전자나 광자 등의 운동을 이용하여 기존 컴퓨터의 프로세서보다 훨씬 빨리 특정 종류의 계산을 수행합니다. QPU는 양자중첩이나 양자얽힘이라는 양자역학의 현상을 이용해 병렬계산을 합니다. 한편 기존의 컴퓨터에 사용되는 CPU나 GPU 등은 고전 물리학의 원리를 전류에 응용한 것입니다. 따라서 양자컴퓨터의 경우 기존 컴퓨터를 '고전 컴퓨터'라고 부릅니다.
by IBM Research 출처:https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/50252942522
예를 들어 CPU와 GPU는 전류의 온 또는 오프 상태를 비트단위로 계산을 하지만 QPU의 양자비트에서는 0과 1뿐만 아니라 0과 1이 중첩한 상태를 나타낼 수 있습니다. 3비트의 경우는 「000」「001」「010」「011」「100」「101」「110」「111」중 한 번에 나타낼 수 있는 것은 어느 1개뿐입니다. 그러나 양자비트는 0과 1의 중첩상태를 나타낼 수 있으므로 여러 상태를 동시에 나타낼 수 있습니다.
양자컴퓨터에서는 기존의 컴퓨터에서 하나하나 하고 있던 계산을 동시에 병렬로 실시할 수 있게 되기 때문에 지금까지의 컴퓨터에서는 막대한 시간이 필요했던 계산도 빠르게 끝낼 수가 있습니다. 예를 들어 양자컴퓨팅 기업인 Quantum Computing Inc.(QCI)는 BMW와 Amazon Web Services가 내놓은 차량센서 배치에 관한 3854개의 변수와 500개 이상의 조건이 주어진 문제를 해결했다고 발표했습니다. 이 문제는 기존의 고전 컴퓨터라면 매우 시간이 걸리는 문제였지만 QCI의 양자컴퓨터는 불과 6분 만에 답을 냈다고 합니다.
물론 양자비트 수가 많을수록 가능한 병렬계산의 양이 늘어나므로 양자비트 수는 QPU의 능력에 직결됩니다. 또한 양자컴퓨터 연구자들은 QPU의 성능을 테스트하고 측정하는 방법을 모색하고 있습니다.
QPU에 양자비트를 구축하는 방법으로 가장 인기 있는 접근법이 '초전도 양자비트' 기술로 2개의 초전도체 사이에 절연체를 포개는 조셉슨 접합으로 쿠퍼쌍(Cooper pair)이라고 불리는 2개의 전자가 터널 효과로 인해 절연체를 통과하는 현상을 이용하여 양자역학적 중첩을 실현한다는 것입니다. 양자비트에 사용되는 초전도체의 상태를 지속시키기 위해 양자컴퓨터의 회로는 액체 질소 등으로 극저온에서 동작시켜야 합니다.
또한 일부 기업은 전자가 아닌 광자를 사용하여 양자비트를 개발하고 있습니다. 광자의 진동이나 경로를 0~1로 계산하기 때문에 초전도 양자비트와 달리 액체 질소 등으로 양자비트를 극저온으로 유지할 필요가 없습니다. 그러나 광자를 관리하기 위해 레이저와 고급 검출기가 필요하며 검출시 오류가 발생하기 쉽다는 점이 단점입니다.
그 밖에도 전자장에서 하전입자(이온)를 가늘게 하는 이온트랩을 이용하여 양자중첩 상태를 만들어내는 이온트랩형 양자비트 등 양자비트의 실현에는 다양한 방법이 연구되고 있습니다. NVIDIA는 “지금은 양자컴퓨터의 여명기이기 때문에 QPU의 양자비트에 어떤 종류의 양자비트가 널리 사용되게 될지는 밝혀지지 않았다”고 설명했습니다.
by IBM Research 출처:https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/
그러나 두 가지 방법 모두 극저온을 유지할 수 있는 냉장고, 진공 인클로저, 전자기 차폐 등 일반 가정에는 설치할 수 없는 시설이 필요합니다. 따라서 양자컴퓨터는 주로 슈퍼컴퓨팅이 요구되는 연구시설과 대규모 데이터센터에 설치될 것으로 예상됩니다.
하드웨어 레벨에서는 QPU는 현실 세계의 많은 일에 대응할 수 있을 만큼 강력하지 않고 신뢰성도 충분하지 않으며 QPU에 대응한 소프트웨어도 아직 초기 단계이고 이런 과정은 고전 컴퓨터의 여명기에 어셈블리 언어의 엔지니어들이 경험한 것과 유사하고 NVIDIA는 보고 있습니다.
그러나 Amazon이나 IBM, IonQ, Rigetti, Xanadu 등 여러 기업이 하드웨어 연구에 투자하고 있으며 양자컴퓨터용 소프트웨어 환경을 정돈하는 프로젝트가 다양한 기업에 의해 진행되고 있다고 합니다. NVIDIA는 양자컴퓨터와 고전 컴퓨터를 연계시킨 하이브리드 양자컴퓨팅 시스템을 프로그래밍하기 위한 오픈 플랫폼인 Quantum Optimized Device Architecture(QODA)를 발표했습니다.
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나무의 줄기에 구멍을 뚫어 먹이가 되는 벌레를 찾거나 둥지를 만드는 딱따구리는 1초에 최대 25회라는 초고속으로 나무를 쪼는데, 딱따구리의 뇌가 받는 중력가속도는 최대 1200G로 인간이 뇌진탕을 일으키는 100G를 훨씬 웃돌고 있습니다. 그런 딱따구리의 뇌가 어떻게 무사할 수 있는지에 대한 연구결과가 발표되었습니다.
고속으로 나무를 쪼는 딱따구리가 두통에 시달리지 않는 원리는 오랫동안 과학자들의 의문이었습니다. 과거에는 캘리포니아대학 데이비스교의 안과의사인 아이반 R. 슈와브 교수가 “근육과 두개골에 있는 스폰지 모양의 조직으로 충격을 흡수하고 있기 때문에 딱따구리는 두통에 시달리지 않는다”라는 논문을 발표해 2006년도 이그노벨상 조류학상을 수상했습니다.
이그노벨상은 그다지 명예로운 상이 아니라고 취급되지만 딱따구리가 충격을 흡수하는 메커니즘을 가지고 있다는 학설은 최근까지 정설로서 받아져 왔습니다. 그러나 이 학설에 종지부를 찍기 위해 벨기에 앤트워프대학의 생물학자인 Sam Van Wassenbergh 씨가 나섰습니다. 그는 "예를 들어 쇼크업소버가 내장된 망치가 있다면 엉망일 것"이라며 만약 충격이 흡수된다면 딱따구리는 나무를 잘 쪼질 못할 것이라고 의문을 제기했습니다.
그래서 Van Wassenbergh 씨의 연구팀은 딱따구리과인 Black woodpecker, Pileated woodpecker, Great spotted woodpecker 각 2마리씩 합계 6마리를 사육하며 관찰해 나무를 쪼는 모습을 하이스피드 카메라로 촬영했습니다. 그리고 부리 2곳과 눈에 마커를 붙여 그 움직임을 추적하는 분석을 실시했습니다. 만약 통설처럼 두개골이나 부리의 뿌리에 있는 뼈로 충격을 흡수하고 있다면 나무에 부딪히는 부리가 움직임을 멈춘 후 조금 늦게 눈이 감속할 것입니다.
분석 결과에서 딱따구리의 부리와 눈은 동시에 감속하고 있다는 것을 알 수 있었습니다. 이 사실은 딱따구리가 부리를 나무에 부딪칠 때 전혀 충격을 흡수하지 않는다는 것을 의미합니다. Van Wassenbergh 씨는 이 결과에 대해 “딱따구리가 나무에 주는 충격의 일부를 흡수한다면 귀중한 에너지가 낭비될 것입니다. 오히려 딱따구리는 충격 흡수를 최소화하기 위해 수백만 년 동안 진화를 이루었을 것"이라고 보았습니다.
딱따구리가 나무를 쫄 때 충격을 흡수하지 않는다는 사실을 발견한 Van Wassenbergh 씨는 다음으로 딱따구리 머리의 컴퓨터 모델을 만들고 시뮬레이션 실험을 했습니다. 그 결과 두개골에서 충격을 흡수하면 부리로 나무에 구멍을 뚫는 능력이 저하된다는 것이 확인되었습니다.
게다가 이 시뮬레이션은 나무가 쪼는 딱따구리의 뇌에 가해지는 압력이 뇌가 손상되는 수준보다 훨씬 낮다는 것을 보여주었습니다. 이것은 딱따구리의 뇌가 너무 작아 나무를 쪼는 정도의 충격으로는 데미지를 받지 않는다는 것을 의미합니다.
연구팀에 따르면 딱따구리가 뇌진탕을 일으키기 위해서는 평소의 2배의 속도로 나무를 쪼거나 나무보다 4배 딱딱한 물체를 쪼아야 한다고 합니다. 이에 대해 Van Wassenbergh 씨는 “딱따구리는 인간보다 훨씬 작아 급격한 감속을 견딜 수 있다”고 설명했습니다.
연구팀은 논문에서 딱따구리 머리는 충격흡수용 헬멧이 아니라 딱딱한 해머로서 기능해 쪼는 힘을 최대한 높일 가능성이 높다며 생물학적 증거가 없이 딱따구리를 참고해 충격흡수재와 헬멧 등의 도구 개발자들은 향후 디자인의 재검토를 강요당할 것이라는 견해를 나타냈습니다.
백신접종을 받지 않고 발병했을 경우 확실히 사망에 이르고 확립된 치료법은 없으며 예후는 절망적이라고 알려진 광견병은 광견병 바이러스인 리사 바이러스에 기인합니다. 단지 5가지의 유전자만을 가진 매우 단순한 구조의 리사 바이러스가 어떻게 면역시스템을 압도하고 사람을 죽음에 이르게 하는지 과학계 YouTube 채널 Kurzgesagt가 설명했습니다.
리사 바이러스는 고대 그리스의 광기의 여신 리사에 연관된 이름으로 4000년 이상 전부터 인류를 괴롭혀 왔습니다. 광견병에 걸리면 동물은 분노에 찬 미친 짐승으로 변모하고 인간은 물을 두려워하는 좀비처럼 되어 버립니다.
리사 바이러스의 가장 큰 특징은 인간의 면역체계를 피하는 능력이 믿을 수 없을 정도로 성공적인 점에 있습니다. 바이러스는 생물과 무생물의 중간에 위치하며 살아있는 세포가 없으면 성장할 수 없는 유전적인 명령의 모음에 불과합니다. 이러한 바이러스 중에서도 리사 바이러스는 특히 간단하며 단 5가지의 유전자, 즉 5가지의 단백질에 관한 명령만을 가지고 있습니다.
리사 바이러스는 이 5개의 유전자를 구사하여 감염, 면역계의 회피, 뇌로의 이동, 자가복제, 새로운 숙주감염을 처리합니다.
광견병에 대한 감염은 종종 리사 바이러스에 감염된 개에게 물리면서 시작됩니다. 개 송곳니에 부착된 타액과 함께 체내로 침입한 리사 바이러스는 우선 신경조직을 목표로 합니다. 신경세포는 말하자면 '살아있는 전선'이며 신체에 신호를 전달하는 역할을 합니다. 리사 바이러스는 이 신경의 말단에 있는 수용체로 침입하여 무방비한 신경에 잠입하는 것으로 생각됩니다.
바이러스가 증식하기 위해서는 신경의 세포 메커니즘에 도달해야 하지만 신경은 길기 때문에 장거리 이동이 필요합니다. 여기서 등장하는 것이 Dynein입니다. Dynein은 미세소관이라고 불리는 수송로를 통해 세포에 필요한 물질을 전달하는 분자모터로 미세소관 위를 걷는 다리 2개의 로봇과 같은 외형을 하고 있습니다.
리사 바이러스는 5가지의 단백질 중 하나를 사용하여 이 수송시스템을 탈취하고 세포의 핵으로 자신을 운반하도록 명령합니다. 그리고 일단 침입되어 버리면 인체의 면역시스템이 그것을 발견하는 방법은 거의 없습니다.
정상적인 세포가 바이러스의 침입을 감지하면, 세포는 특수한 단백질을 대량으로 방출합니다. 그 중 하나가 인터페론이라는 단백질입니다. 인터페론은 면역세포에 항바이러스 무기를 만들거나 감염된 세포에 대한 단백질 합성을 정지시켜 바이러스의 자가복제를 지연시킵니다.
또한 세포는 MHC 클래스 I 분자라는 물질을 사용하여 세포 내에서 만들어진 물질의 샘플을 세포 표면에 제시하고 면역체계가 세포 내 이변을 인식할 수 있는 메커니즘을 가지고 있습니다.
인터페론은 이 샘플의 제시 수를 늘리도록 지시하는 작용이 있으므로 만약 세포가 바이러스에 감염되어 바이러스의 유전자나 부품을 제조하고 있는 경우 면역세포가 재빨리 알 수 있게 됩니다.
그리고 세포가 바이러스에 감염되었음을 확인한 면역세포는 세포에 자멸을 명령하여 바이러스를 박멸시킵니다. 이 과정은 신체의 면역체계가 일반적인 바이러스를 격퇴하는 메커니즘입니다.
그런데 리사 바이러스는 신경세포가 인터페론을 만드는 것을 억제하기 때문에 면역시스템의 감시망에 걸리지 않습니다. 게다가 많은 바이러스는 세포가 파열하는 동시에 체내로 방출되지만 리사 바이러스는 신경세포를 파괴하지 않고 몰래 세포에서 세포로 이동합니다.
이 움직임은 매우 느리기 때문에 동물에 물린 곳이나 체내에 침입한 바이러스의 수 등에 따라 다르지만 리사 바이러스가 뇌에 도달하는 데 몇 주에서 몇 개월 때로는 몇 년이 걸리기도 합니다.
리사 바이러스는 이렇게 체내에서 증식하지만 최종적으로는 이상을 감지한 면역계가 최강의 항바이러스 세포인 킬러 T세포를 보내어 본격적인 바이러스의 격퇴에 나섭니다. 대부분의 바이러스 감염은 이 단계에서 끝나지만 리사 바이러스는 킬러 T세포를 격퇴해 버립니다.
중추신경계는 매우 섬세한 시스템이므로 면역세포는 자유롭게 들어갈 수 없습니다. 면역세포는 신경세포의 허가가 없으면 신경계에 들어갈 수 없고 신경세포는 면역시스템이 과반응하고 있다고 판단하면 면역세포에 자멸을 명령할 수도 있는데 리사 바이러스는 신경세포의 이 능력을 빼앗아 강력한 면역세포가 가까워지면 그것을 자멸시켜 버립니다.
바이러스가 뇌간에 도달하면 감염자는 죽음을 기다릴 뿐입니다.
사실 수년에 걸쳐 연구되었음에도 불구하고 리사 바이러스가 감염자를 죽이는 방법은 잘 알려져 있지 않습니다.
일반적인 바이러스 감염의 경우 빠르게 성장한 바이러스가 대량으로 세포를 죽이고 대규모 면역반응을 일으켜 인체에 손상을 줍니다. 그러나 광견병 환자의 뇌조직을 검사해도 손상은 거의 보이지 않으며 어떤 경우에는 전혀 손상이 없습니다.
현재 광견병은 뇌에서 뉴런의 커뮤니케이션을 혼란시켜 기능부전을 유발해 환자를 죽음에 이르게 하는 것으로 생각되고 있습니다.
광견병이 진행되면 혼란, 공격성, 마비 등의 증상이 나옵니다. 그리고 이번에는 신경을 역주행하여 뇌에서 타액선으로 향합니다. 리사 바이러스가 신경에서 뇌로 향하는 과정을 어떻게 역전시키고 있는지는 알 수 없습니다.
동물의 경우 광견병이 된 동물이 다른 동물에 물려 타액 중의 리사 바이러스가 물린 동물의 체내에 침입하여 감염이 퍼집니다. 그러나 인간이 다른 사람을 물어 광견병을 퍼뜨렸다는 사례는 지금까지 보고되지 않았습니다.
더욱 증상이 진행되면 환자는 뇌염을 발병하여 장기가 차례차례로 기능하지 않게 되어 혼수상태에 빠지고 마지막으로는 생명을 잃습니다. 효과적인 치료법은 없으며 광견병이 발생한 후 살아난 사람은 거의 없습니다.
에이즈는 치료법이 확립되고 있으며 매우 강한 감염력으로 맹위를 흔든 천연두도 근절되었지만 광견병은 치료법이 없고 근절되지 않았기 때문에 리사 바이러스는 바로 인류가 아는 바이러스 중 가장 치명적인 바이러스라고 말할 수 있습니다.
그런 광견병이지만 효과적인 대항수단이 있습니다. 그것은 백신입니다. 실은 광견병은 인류가 최초로 백신을 개발한 감염증의 하나라는 것. 백신이 있으면 리사 바이러스가 인체를 침범하는 대부분의 수법을 사전에 봉쇄할 수 있습니다. 게다가 리사 바이러스는 진행이 매우 느리기 때문에 감염된 동물에 물린 후 백신을 접종해도 발병을 예방할 수 있습니다.
광견병에 감염된 박쥐에 물린 경우 작아 상처가 경미해 발각이 지연되는 경우도 많기 때문에 물린 후에도 발병 전이라면 백신이 유효하다는 점은 매우 중요합니다.
수천 년간 인류를 두려움에 떨게 한 광견병은 현재에도 매년 6만 명이 목숨을 잃고 있으며 희생자의 절반은 아이입니다. 따라서 백신 기피의 풍조와 반대 백신 운동이 퍼지면 더 많은 사람이 이 무서운 질병의 희생양이 될 수 있습니다.
Kursgesagt는 “광견병은 지금도 야생동물과 함께 숲 속에 숨어 있는 몬스터이지만 어느 날 인류가 이 몬스터를 퇴치하고 다른 몬스터와 같은 신화 상 존재로 기억하게 될 날을 소원한다"고 정리했습니다.
지금까지의 관측 결과 우주는 138억 년 전에 탄생했다고 생각됩니다. 그 중에서 우리가 아는 가장 오래된 은하는 2022년 4월에 발견된 빅뱅으로부터 3억 3000만 년 후에 탄생한 'HD1'이었습니다. 이번에 하버드 스미스소니언 천체물리학센터의 로한 나이드 씨가 이끄는 연구팀과 마르코 카스텔라노 씨가 이끄는 로마천문대의 연구팀은 각각 별도로 제임스웹 우주망원경의 관측데이터를 조사해 특히 먼 곳에 있는 2개의 은하를 확인했습니다.
하나는 이전 허블우주망원경에서 관측했던 가장 오래된 은하와 관련된 빅뱅에서 4억 년 후의 은하이고 또 다른 하나는 빅뱅으로부터 3억 년 후에 탄생한 것으로 보이는 'GLASS-Z13'입니다.
아래의 사진은 제임스웹 우주망원경에 탑재된 근적외선 카메라로 촬영된 사진을 확대한 것입니다.
GLASS-Z13의 발견으로 가장 오래된 은하의 기록은 불과 3개월 만에 바뀐 것인데 과학뉴스사이트 Quanta Magazine은 GLASS-Z13의 기록도 오래가지 못할 것이라고 보았습니다. 덧붙여 우주가 팽창하고 있기 때문에 지구와 GLASS-Z13 사이의 거리는 330억 광년이나 떨어져 있습니다.
이 밖에도 텍사스대학 오스틴교의 천문학자로 우주진화 조기 릴리스 과학조사(CEERS)의 멤버인 레베카 라슨 씨는 빅뱅에서 5억 년 뒤 탄생한 은하를 발견했다는 것. 다만 라슨 씨 연구팀은 아직 정식발표는 하지 않았습니다.
◆ 은하의 구조
2400만 광년 떨어진 곳에 있는 은하 'NGC7496'은 허블우주망원경에서는 먼지나 가스로 희미하게 흐릿한 모습으로서 관측되고 있었습니다. 제임스웹 우주망원경의 관측에서는 새롭게 그 가스의 내부 모습이 밝혀졌다고 미 국립과학재단 NOIRLab의 쟈니스 리 씨가 보고했습니다.
'밤하늘의 보호'를 테마로 조명 배치 계획의 책정 등을 실시하고 있는 컨설팅 회사 Dark SkyConsulting의 천문학자인 존 발렌틴 씨는 제임스웹 우주망원경이 촬영한 거문고자리의 환상성운(NGC6720 )의 사진에서 은하 중앙부의 부푼 구조를 연구할 수 있는 원반은하가 있다는 것을 발견했습니다. 이 은하는 이전에는 환상성운의 일부라고 오인되고 있었는데 발렌틴 씨는 "제임스웹이 촬영하는 거의 모든 이미지는 배경까지 살펴볼 가치가 있다"고 평가했습니다.
