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반물질이란 무엇인가?

반물질은 공상과학이 아니라 현실입니다. 1936년과 1959년 노벨 물리학상의 주인공이기도 하죠. “신은 세상을 창조할 때 아름다운 수학을 사용했다(God used beautiful mathematics in creating the world).”는 말로 유명한 폴 디랙이 처음으로 반입자를 예견했습니다. 금보다 1조 2천억배 비싼, 세상에서 가장 귀한 물질이라는 얘기도 있었죠. 과연 반물질이 무엇인지 영상에서 확인해 보세요. [상세 소개] 영화 천사와 악마에는 반물질 폭탄이 등장합니다. 스타트랙의 엔터프라이즈호는 반물질 엔진으로 작동하죠. 사실 SF 영화의 거의 모든 것은 현재 과학으로 보면 가짜입니다 하지만 반물질 자체는 정말 가짜 같지만 현실이죠 처음 반물질의 존재를 예측한 사람은 이론 물리학자 폴 디랙입니다. 1928년 전자에 대한 상대론적 파동 방정식인 디랙 방정식의 결론이었죠. 그리고 1932년 미국의 물리학자 칼 앤더슨이 반입자인 양전자를 실제로 발견했습니다. 반물질은 반입자로 이루어진 물질인데요. 반입자는 입자와 질량 및 스핀은 같지만 전하가 반대인 입자입니다. 예를 들어, 전자는 질량이 아주 작고 음전하입니다. 이것의 반입자, 즉 양전자는 질량이 정확하게 같지만 양전하죠. 전자: 질량, 스핀 1/2, 음전하 양전자: 질량, 스핀 1/2, 양전하 양성자와 반양성자의 경우에도 마찬가지입니다. 양성자: 질량, 스핀1/2, 양전하 반양성자: 질량, 스핀 1/2, 음전하 중성자: 질량, 스핀1/2, 무전하 반중성자: 질량, 스핀 1/2, 무전하 반입자가 모이면 반물질이 되는 것입니다. 반물질은 허구가 아니라 과학적 사실입니다. 그렇다면 반물질은 어떤 특성이 있을까요? 사실 반물질은 그다지 특이한 것이 없습니다. 평범한 물질과 동일한 규칙을 따르죠. 반물질에서 한 가지 흥미로운 점은 물질과 결합할 때입니다. 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc²을 들어보셨을 겁니다. 에너지가 물질과 동등하다는 얘기도요. 그것은 사실입니다. 하지만 이 말은 완전하지 않습니다. 에너지가 물질 입자로 변환할 때는 동시에 같은 수의 반입자가 만들어집니다. 그래서 아인슈타인의 방정식이 의미하는 바는 에너지를 물질과 반물질로 변환할 수 있고 물질과 반물질을 결합하여 에너지를 만들 수 있다는 것입니다. 아인슈타인의 방정식을 다시 살펴보겠습니다. E는 에너지를, m은 질량을 의미하며 c 제곱 항은 숫자입니다. 299,792,458m/s 8.98755179 × 1016 m2 / s2 9 뒤에 0이 16개가 오는 매우 큰 숫자이죠. 그러니까 질량이 작더라도 에너지는 아주 크다는 것을 의미합니다. 1g의 반물질이 물질과 만나 사라지면 히로시마 원자폭탄의 2배 위력이 나옵니다. 그러면 반물질은 위험한 것일까요? 반물질은 위험할 수 있지만 현실은 위험할 만큼 충분히 만들 수가 없습니다. 현재 CERN(유럽입자물리연구소)의 반물질 생산 속도로는 1g을 만드는 데 2백만 년이 걸립니다. 그리고 반물질을 만들려면 반물질로 쓸 수 있는 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 투입해야 하죠. 그래서 반물질이 다이아몬드보다 1억배 비싼, 세상에서 가장 귀한 물질이라고도 합니다. 그런데 반물질을 만들었다 하더라도 이것을 안전하게 보관하기가 어렵습니다. 반물질이 가만 있지 않고 물질과 반응하니까요. 자기장이 하나의 방법이 될 수 있으나 이것도 몇 개 정도의 반입자나 가능할 뿐입니다. 반물질은 오늘날 매우 흥미로운 수수께끼를 제기합니다. 우리는 물질과 반물질이 에너지에서 동일한 양으로 생성된다고 믿습니다. 그런데 우리 우주는 전적으로 물질로 구성되어 있습니다. 빅뱅 후 우주 초기에 당시 에너지는 물질과 반물질을 동일한 양으로 만들어야 했습니다. 하지만 몇 초 뒤에 대부분의 물질과 모든 반물질이 서로 작용하여 사라졌죠. 원래 물질의 1억분의 1정도가 남게 되었고 반물질은 남지 않았습니다. 왜 그럴까요? 우리는 아직 모릅니다. 사실 이 질문은 21세기 기초 물리학의 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 현재는 답을 모르지만 알아낼 수 있으리라 생각합니다.