과학자들이 온도를 극한까지 낮추자, 이상한 물질이 나타나기 시작했다.

 

 

컵을 손가락으로 밀면, 컵은 앞으로 밀려납니다.

 

이것이 우리가 아는 세상의 상식입니다.

 

그런데 만약, 컵이 앞으로 밀려나지 않고, 당신의 손을 향해 거꾸로 다가온다면 어떨까요?

 

이 공상과학 같은 현상이, 한 연구실에서 실제로 일어났습니다.

 

인류의 가장 오래된 상식에, 거대한 균열이 가는 순간이었습니다.

 

 

아이작 뉴턴 이전의 세상은 불확실함 그 자체였습니다.

 

행성이 왜 하늘을 가로질러 움직이는지, 사과는 왜 땅으로 떨어지는지...

 

모든 것이 신의 변덕이나, 설명할 수 없는 힘으로 여겨지던 시대였죠.

 

그러던 중 1687년, 뉴턴은 단 하나의 공식, "F=ma"를 세상에 내놓습니다.

 

 

 

 

 

힘(F)은 질량(m)과 가속도(a)를 곱한 것과 같다.

 

 

바로 이 단순한 법칙이, 인류를 신화의 시대에서 과학의 시대로 이끌게 되었습니다.

 

인류는 이 공식을 이용해서 행성의 궤도를 정확히 예측했고, 결국 달을 향해 로켓을 쏘아 올릴 수 있었습니다.

 

지난 300여 년간 뉴턴의 운동 법칙은, 단 한 번의 예외 없이 완벽하게 작동했습니다.

 

자동차가 달리고, 건물이 세워지는 등 우리의 주변에도 이 법칙이 깃들어 있죠.

 

그것은 우리 세상을 움직이는 가장 근본적인 물리 법칙이었습니다.

 

하지만 이 완벽해 보이는 법칙이, 전혀 통하지 않는 세계도 존재하고 있는데요.

 

원자보다 더 작은, 우리 눈에 보이지 않는 미시의 영역.

 

우리가 알던 상식과는 전혀 다른 규칙들이 작용하고 있는 곳.

 

바로 '양자역학'의 세계였습니다.

 

 

이곳에서 발생되는 일들은, 너무나도 작아서 우리의 눈으로는 직접 확인할 수 없죠.

 

하지만 과학자들에게는 이 현상을 목격할 단 하나의 이론적인 방법이 있었습니다.

 

바로 양자 현상을 우리 눈에 보이는 거시적인 크기로 '확대'하는 것입니다.

 

그리고 그 열쇠는, 우리가 아는 고체, 액체, 기체, 플라즈마 너머에 존재하는 '제5의 물질 상태'에 있었죠.

 

70여 년 전, 아인슈타인이 예측했지만 당시 기술로는 구현이 불가능했던 환상의 물질.

 

바로 '보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein Condensate)', 줄여서 'BEC'입니다.

 

쉽게 말해, 수많은 원자들이 마치 하나의 원자인 것처럼 똑같이 행동하는, 거대한 '슈퍼 원자'라고 할 수 있습니다.

 

이렇게 원자를 거대한 슈퍼 원자로 만들면, 양자 세계에서 발생되는 일들을 엿보게 될 수 있을지도 모릅니다.

 

이 슈퍼 원자를 만들기 위한 조건은 단 하나. 바로 '극저온'이었죠.

 

텅 빈 우주 공간의 온도가 영하 270도 정도인데, 이 BEC를 만들려면 그보다도 더 차가운...

 

 

이론상 최저 온도인 절대영도, 즉 영하 273.15도에 거의 근접해야만 했습니다.

 

이를 위해 과학자들이 꺼내든 첫 번째 도구는 바로, 아주 특수한 레이저였습니다.

 

이 레이저는 원자들의 활발한 움직임을 방해해 속도를 급격히 떨어뜨려, 온도를 낮추게 되죠.

 

과학자들은 진공 챔버에 '루비듐' 원자들을 채우고, 사방에서 이 레이저를 쏘아대기 시작했습니다.

 

그러자 원자들은 마치 꿀 속에 빠진 것처럼, 서서히 움직임을 잃어가게 되었는데요.

 

하지만 이 특수 레이저 만으로도, 원자들을 절대 영도에 근접하게 만들 수는 없었습니다.

 

결국 과학자들은 온도를 더 내리기 위해, 원자들을 자기장으로 만든 보이지 않는 그릇에 가두었습니다.

 

그리고 가장 에너지가 높은, 즉 가장 뜨거운 원자들만 골라서 밖으로 날려 보내는 작업을 반복했죠.

 

이 과정을 수없이 반복한 끝에, 마침내 절대영도보다 불과 10억 분의 1도 높은 온도에 도달할 수 있었습니다.

그리고 그 순간, 흩어져 있던 수만 개의 개별 원자들이 경계를 잃고 서로에게 스며들기 시작했습니다.

 

각각의 정체성을 완전히 상실하고, 파동처럼 퍼져나가 하나의 거대한 원자로 응축되었죠.

 

인류 역사상 가장 차가운 물질, 양자역학의 기묘한 현상을 맨눈으로 보여줄, '슈퍼 원자'가 탄생하는 순간이었습니다.

 

 

숨 막히는 정적 속에서 과학자들은 모니터를 응시하고 있었습니다.

 

자기장으로 만든 보이지 않는 그릇 안에는 인류 역사상 가장 차가운 물질, 보스-아인슈타인 응축물이 하나의 거대한 점이 되어 조용히 떠 있었죠.

 

모든 과학자들은 이 '슈퍼 원자'를 바라보며 똑같이 예측하고 있었습니다.

 

이 물질은 극도로 민감해서, 아주 약한 힘에도 파동처럼 밀려나게 될 것이라고..

 

이제 남은 것은 역사상 가장 기묘한 질문에 대한 답을 확인하는 것.

 

바로 이 물질을 살짝 '밀어보는' 것이었습니다.

 

연구팀의 리더가 고개를 끄덕이자, 한 연구원이 마우스를 클릭했습니다.

 

아주 짧은 순간, 또 다른 레이저가 발사되어 슈퍼 원자를 부드럽게 밀어내기 시작했죠.

 

지난 수백 년간 이어진 물리학의 대전제에 따르면, 물질은 당연히 앞으로, 민 방향으로 나아가야 했습니다.

 

하지만 그 순간, 컴퓨터 화면에 찍힌 데이터는 그들의 예상을 완전히 빗나갔는데요.

 

모니터 속 원자 덩어리는 앞으로 나아가기는커녕, 마치 세상의 모든 법칙을 거부하듯, 레이저를 쏜 방향으로 '거꾸로' 가속하기 시작했습니다.

 

 

앞으로 밀었는데, 오히려 미는 쪽으로 다가오는 현상.

 

모두가 자신의 눈을 의심했습니다.

 

장비를 점검하고, 계산을 확인하고, 실험을 다시 반복했죠.

 

하지만 결과는 똑같았습니다.

 

그들이 만들어낸 슈퍼 원자는, 힘을 가한 반대 방향으로 움직이고 있었습니다.

 

이것은 뉴턴의 법칙 F=ma에서 질량(m) 값이 음수(-)일 때 나타할 수 있는 현상이었죠.

 

하지만 과학자들은 알 수 있었습니다.

 

이것은 인류가 처음으로 발견한, '음의 질량(Negative Mass)처럼 행동하는' 물질이라는 사실을 말입니다.

 

사실 과학계에서는 오래전부터, 특정 조건 하에서 물질이 '음의 유효 질량'을 가질 수 있다고 예측해왔습니다.

 

쉽게 말해, 입자 자체의 질량은 그대로지만, 마치 음의 질량을 가진 것처럼 '행동'하는 현상인데요.

 

이 이론에 따르면, 이 물질은 외부에서 힘을 가하면, 그 반대 방향으로 가속될 수 있다고 예측되었습니다.

 

즉, 중력을 거슬러 올라가거나 밀면 오히려 다가오는, 상식적으로는 불가능한 현상이 일어난다고 본 거죠.

 

하지만 이는 어디까지나 수학 공식과 컴퓨터 시뮬레이션 속에서만 존재하는 현상일 뿐....

 

그 누구도 실제로 확인하지는 못했습니다.

 

바로 그 기이한 예측이, 이렇게 처음으로 실험실에서 실제로 관측이 되었던 겁니다.

 

그렇다면 이 음의 유효 질량 물질은, 기이한 현상의 발견을 넘어 어떠한 의미를 가지고 있는 걸까요?

 

그 의의는 크게 세 가지로 요약할 수 있습니다.

 

 

첫째, '실험실 안에서 중성자별'을 구현했다는 점입니다.

 

중성자별이란 거대한 별이 죽으면서 엄청난 압력으로 찌그러진 별을 말합니다.

 

각설탕 하나 크기에 무려 수억 톤의 무게가 나가는 초고밀도의 천체를 말하죠.

 

그 내부에서 물질이 어떻게 행동하는지는, 직접 가볼 수 없는 인류에게 가장 큰 미스터리 중 하나였습니다.

 

그런데 음의 질량을 보이는 이 '슈퍼 원자'가, 중성자별의 특성과 수학적으로 유사한 점을 보이고 있었습니다.

 

즉, 중성자 별의 비밀을, 이제 지구의 실험실에서 연구할 수 있는 길이 열리게 된 겁니다.

 

 

 

둘째, 양자역학이 현실의 영역으로 넘어왔습니다.

 

원자가 여러 곳에 동시에 존재하거나 빛보다 빠르게 정보가 오가는 듯한, 기묘한 현상들로 가득한 양자 세계.

 

이런 기묘한 현상들은 언제나 입자 하나 수준의, 눈에 보이지 않는 세계에 갇혀 있었습니다.

 

하지만 음의 유효 질량 현상은, 수만 개의 원자가 모인 '거시적인 덩어리'에서 나타났죠.

 

추상적이고 기묘하게만 들렸던 양자 현상이, 마침내 우리 눈에 보이는 현실로 나타난 결정적인 사건이었습니다.

 

 

마지막으로, 우주 최대의 미스터리인 '암흑 에너지'의 실마리가 될 가능성입니다.

 

우리 우주는 정체불명의 '암흑 에너지' 때문에 점점 더 빠르게 팽창하고 있는데요.

 

이 힘은 중력과 반대로 모든 것을 밀어내는 성질을 가지고 있습니다.

 

음의 유효 질량 물질 역시 '미는 힘에 대해 다가오는', 기묘한 반발력의 성질을 보여주고 있죠.

 

물론 이 물질이 암흑 에너지라는 뜻은 결코 아닙니다.

 

하지만 인류는 처음으로 '척력처럼 행동하는 물질'을 손에 넣게 되었습니다.

 

즉, 이 물질을 연구하면, 암흑 물질의 비밀에 더 다가서게 될 지도 모른다는 겁니다.

 

 

 

인류는 마침내 상상 속에서만 존재하던 물질을 현실로 이끌어냈습니다.

 

음의 질량처럼 행동하는 이 기묘한 물질은, 단순히 하나의 발견을 넘어서고 있는데요.

 

이것은 중성자별의 내부를 들여다볼 수 있는 새로운 창(窓)이자, 암흑 에너지에 다가갈 수 있는 첫 번째 열쇠입니다.

 

지금은 비록 실험실 속 아주 작은 '슈퍼 원자'에 불과합니다.

 

하지만 이 물질이 앞으로 인류의 우주 이해를 얼마나 넓혀주게 될까요?

 

그 위대한 여정은 이제 막 시작됐습니다.

 

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