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보즈-아인슈타인 응축물 


원자가 합체된다는 것은 대단히 놀라운 사건입니다. 물론 기존의 핵물리학 이론에서도 핵융합은 가능하지만, 엄청나게 높은 고온의 에너지를 유지해야 하고 그나마 상당히 제한적으로만 반응을 일으킬 수 있습니다. 만일 초원자가 실재한다면, 그것은 기존의 물리이론이 잘못되었거나 적어도 기존에 알지 못하던 다른 물리적 메커니즘이 존재한다는 뜻이 됩니다. 

그런데 흥미롭게도 20세기말이 되면서 초원자 가설을 어느 정도 뒷받침해주는 듯한 물질들이 새롭게 발견되었습니다. 물론 이건 저만의 느낌이고, 아직 이 새로운 물질들의 이론적 근거가 밝혀지거나 오컬트화학의 초원자 상태와 똑같다는 증거는 없습니다. 하지만 새로운 양자 상태의 원자가 존재한다는 것만으로도 기존 학설의 큰 변화를 예고하는 것입니다. 이런 물질 중의 하나가 보즈-아인슈타인 응축물입니다. 

보즈-아인슈타인 응축물은 똑같은 양자상태에 있는 원자들의 그룹입니다. 이 물질은 마치 하나의 원자인 것처럼 움직입니다. 에릭 코넬과 칼 위만은 1995년에 이 물질을 실험실에서 만들어 내었는데, 겨우 백만 분의 일도라는 거의 절대온도 영도와 다름없는 극초저온으로 원자를 냉각해서 이런 물질 상태를 얻었습니다. 원자의 온도가 절대영도라는 이야기는 원자의 움직임이 거의 제로에 가깝다는 것을 의미합니다. 

보즈-아인슈타인 응축물은 또 초전도 현상을 나타냅니다. 초전도 현상은 전기저항이 제로가 되고, 자기장을 밀어내는 마이스너 효과라든가 액체의 점성이 사라지는 초유동 현상 등을 포함하는데, 기존의 초전도 이론에서는 전자가 쿠퍼쌍이라는 쌍을 이루어 함께 움직임으로써 이런 현상이 나타난다고 알려져 있습니다. 사실 초전도체가 보즈-아인슈타인 응축물의 일종이라고 볼 수 있는데, 보즈-아인슈타인 응축물의 원자들이 동일한 양자상태에 있을 수 있는 것은 그 원자들이 보존의 상태에 있기 때문이라고 보고 있습니다. 

일반적으로 소립자는 페르미온과 보존으로 구분할 수 있습니다. 페르미온은 우리의 물질감각에 부합하는 소립자로, 파울리의 배타원리를 따릅니다. 파울리의 배타원리를 따른다는 것은 쉽게 이야기하면 동일한 공간에 두 개의 입자가 동시에 중첩해서 존재할 수 없다는 것입니다. 반면에 보존들은 파울리의 배타원리를 따르지 않으며, 따라서 같은 공간에 중첩해서 존재할 수 있습니다. 보통 전자나 양성자, 중성자, 쿼크와 같은 입자들이 페르미온에 속하고, 빛이나 글루온, 위크 보존과 같이 힘을 매개하는 입자들이 보존에 속합니다. 그런데 페르미온도 보존이 될 수 있습니다. 바로 초전도체에서와 같이 입자들이 쌍을 이룰 때입니다. 쿠퍼쌍을 이룬 전자는 더 이상 페르미온이 아니며, 보존의 일종이 됩니다. 이것은 양성자나 원자핵과 같은 복합입자에서도 마찬가지인데, 예를 들어 홀수의 핵자를 가진 원자량 3의 헬륨 동위원소를 초저온으로 냉각시키면 원자들이 쌍을 이루어 초유동 현상을 보이게 됩니다. 즉 페르미온 유형의 헬륨이 보존 유형으로 바뀌게 된 것입니다. 

우리는 이러한 사실 속에서 초원자와 보즈-아인슈타인 응축물간의 어떠한 유사한 점을 발견할 수 있습니다. 그 첫째는 원자의 내부 움직임이 거의 정지 상태에 가깝게 된다는 것이고, 두 번째는 쌍을 이루든 하나의 원자로 합체가 되든 해서 보존 유형으로 변한다는 것입니다.