과학동아 Do!에 제 글이 실렸습니다.

올해부터 과학동아에 청소년들이 기고할 수 있는 코너가 만들어진다고 해 얼마 전에 하드디스크의 섹터별 읽기, 쓰기 속도가 다른 이유에 대한 글을 기고했습니다. 그리고 2월 과학동아 Do!에 제 글이 선정되었습니다.
[Studies/Science] - 하드디스크의 위치 별 성능 차이가 나는 이유

작년에 했던 연구 내용을 바탕으로 기사를 썼기 때문에 많은 내용을 A4 용지 2장 분량으로 줄이는 것이 힘들었는데 실제로는 1장으로 더 압축되어 조금 아쉽네요. 그래도 제 글이 처음으로 책에 실려 기뻤습니다.


제 기사에 대한 첨삭도 받았습니다. 첫 부분의 도입이 아쉬웠지만 전체적으로 좋은 기사였다는 평가를 받았습니다. 다음부터는 도입 부분에 특별히 신경을 써야겠습니다.

제 기사는 과학동아 홈페이지에서도 확인하실 수 있습니다.
http://science.dongascience.com/supplement/article-list?acCode=21

절대 영도에 대한 다큐멘터리를 보고 절대 영도에 대해 조사해 작성한 보고서를 정리해서 올려봅니다.

절대 영도의 쓰임

절대 영도는 이론적인 가장 낮은 온도로 -273.15‘C입니다. 절대 영도는 입자들의 에너지가 없어질 때를 정의하기 때문에 실제로 절대 영도에 완벽하게 도달하기에는 불가능하며 현재까지 도달한 최저온도는 절대온도의 100조분의 1 수준입니다.

절대영도의 발견과 절대영도에 도달하기 위한 노력

절대영도라는 개념을 처음 도입한 과학자는 캘빈이며 그 업적을 기념하기 위해 절대영도를 0 으로 하는 절대온도의 단위는 그의 이름의 첫짜를 따 K를 씁니다.
최근 100년 동안 많은 과학자들 절대영도에 도달하기 위해 많은 노력을 해왔습니다. 절대 온도에 도달하기 위한 노력을 시작한 과학자는 패러데이입니다. 그는 높은 압력의 조건에서 기체를 액화시키는 방법으로 -130‘C 까지 온도를 낮추었으나 산소, 질소, 수소 등의 기체들을 액화시키는 것은 실패했고 그는 이 기체들을 영구기체라고 명명했다.

몇 십 년이 지난 후 영국의 제임스 듀어와 네덜란드의 카메를링 오네스가 이 영구기체들을 액화시키려는 경쟁을 시작했습니다. 듀어는 압력을 가해 비교적 끓는점이 낮은 액체를 액화시킨 다음 이를 냉각제로 다시 끓는점이 더 낮은 액체를 액화시키는 과정을 반복해 끓는점이 -252'C 인 수소를 냉각시키는 데 성공했습니다. 하지만 곧 끓는점이 -269‘C 로 더 낮은 액체인 헬륨이 발견되었고 각고의 노력 끝에 1908년 오네스가 먼저 액체 헬륨을 만드는 데 성공했습니다. 그리고 오네스는 -269’C 즉, 4K 에서 금속의 전기 저항이 0 이 되는 초전도 현상을 발견했습니다. 이는 전력 손실 없이 전류를 계속 흐르게 할 수 있게 할 수 있으므로 그 활용 가능성이 무궁무진합니다. 하지만 고압의 압력이 필요한 듀어와 오네스의 냉각 방법은 폭발 위험이 커 더 낮은 온도에 도달하기는 어렵습니다.

절대온도에 가까운 온도가 되면 보즈-아인슈타인 응축이 일어나는데 보즈-아인슈타인 응축은 그 존재를 1925년 사티엔드라 나드 보즈가 예견해 아인슈타인에게 관련 논문을 보냈고 아인슈타인이 그 이론을 좀 더 확장해 보즈-아인슈타인 응축 이론을 발표했습니다. 보즈-아인슈타인 응축이란, 절대온도에 매우 가까운 절대온도 0.000001K에서 대부분의 입자들이 바닥에 응축되며 각 입자의 물질파가 서로 겹쳐 하나의 거대한 물질파가 되는 현상입니다. 또한 보즈-아인슈타인 응축 상태에서는 초유체, 초고체 등 새로운 개념의 물징 상태를 관찰할 수 있습니다. 보즈-아인슈타인 응축이 일어나는 온도에 도달하기 위한 노력은, 보즈-아인슈타인 응축 이론이 발표된 이후 거의 70년 동안 계속되어 왔습니다. 보즈-아인슈타인 응축은 액체 수소나 헬륨을 만드는 것보다 훨씬 낮은 온도를 만들어야 하므로루비듐 등 원자번호가 큰 무거운 원소에 레이저를 쏘아 운동속도를 늦춰 전체 에너지를 작게 하는 냉각 방법이 주로 사용됐습니다. 그리고 1995년 에릭 코넬이 절대온도의 1억분의 17까지 접근해 3천개의 루비듐 원자로 보즈-아인슈타인 응축을 실현했고, 얼마 후 볼프캉 케텔레가 나트륨 원자 1천만 개로 더 큰 보즈-아인슈타인 응축을 만들었습니다.

절대 영도의 쓰임

절대 영도는 현재 활발하게 연구가 이루어지고 있는 분야로 미래에 그 활용 가능성은 무궁무진하다가 할 수 있습니다.

현재 절대 영도는 주로 화학이나 물리에서 에너지의 양과 관련된 공식에서 활용되고 있습니다. 입자들의 에너지가 없어지는 상태인 절대 영도를 기준으로 한 절대 온도는 물을 기준으로 한 섭씨온도나 소금물을 기준으로 한 화씨온도보다 에너지를 훨씬 더 간편하고 정확하게 계산할 수 있기 때문에 이상 기체 상태 방정식 등에서 절대 온도가 사용되고 있습니다. 앞으로 새롭게 발견하는 과학 법칙에서도 온도 요인은 대부분 절대 온도를 기준으로 결정될 것 같습니다.

또한 절대 영도를 이용한 초전도 현상은 자기 부상 열차 등 여려 용도로 주목받고 있습니다. 초전도 현상은 금속에서의 전기 저항이 없어지는 현상을 말하며 저항으로 인한 에너지 손실이나 발열 문제 등을 단번에 해결할 수 있는 실생활과 연관 깊은 분야여서 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 앞에서 말했듯이 1911년 네덜란드의 카메를링 오너스는 액체 헬륨을 만드는 실험을 하던 중 약 4K 정도에서 수은의 전기저항이 사라지는 현상을 목격했고 이 신기한 현상에 대해 많은 연구가 이루어졌습니다. 그 후 더 높은 온도에서 초천도 현상이 일어나는 물질들이 발견되어 초전도 현상은 절대 영도 자체로부터는 조금은 멀어지게 되었지만 아직 절대 영도와 관련된 연구 분야이라 볼 수 있습니다.

보즈-아인슈타인 응축의 산물이라고 할 수 있는 초고체도 최근 주목밖고 있는 분야입니다. 초고체는 초유체와 고체를 합친 조어로 액체가 절대 영도에 가까운 온도로 냉각되면 점성이 사라져 사방으로 흩어지는 특성을 지닌 물질입니다. 초고체는 고체에서도 보즈-아인슈타인 응집을 확인할 수 있게 해주는 물질로 물리학적으로 의미가 커 매우 주목받고 있습니다. 특히 우리나라의 김은성 교수가 주축이 되어 연구하는 분야기기 때문이 기대가 더 큽니다.

참고 : BBC Four Absolute Zero 2007, 위키피디아, 네이버 캐스트, 과학동아

작년 초에 작성했던 보고서여서 조금 부족한 부분이 있지만 도움이 될 곳이 있는 것 같아 올려봅니다. 

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