반물질(antimatter)이란 ?

 

반물질(antimatter)이란 존재하는가?

[나막신] 2007/08/29 18:59

실제 반물질이란 존재를 알고 있는 회원들이라면 대부분 SF에 관심이 있는 사람일 거라고 생각합니다. 제 기억에도 반물질이란 걸 처음 본 게 SF 소설 아니면 만화였을 겁니다. 근데 사실 그게 실제로 존재한다는 생각은 안 했었습니다. 상상 속에서만 존재하는 거라고 생각했지요. 근데 그게 실제로 존재하더군요. 거참 알면 알수록 신기하고 어려운 세상입니다.

또각또각

별의별님은 정말 별의 별 생각을 갖고 있나보다. 그려, 별과 관련되어 있긴 하다. 아, 참고적으로 물리학 혹은 조금이라도 과학에 관심이 없다면 포기하라고 하고 싶다. 읽어도 뭔 말인지 도통 모를 수가 있다. 난 분명히 경고했다.

반물질. 이게 도대체 뭔 물질일까? 반(半)만 물질이란 소린가? 그럼 나머지 반은 뭔가? 아님 물질에 반하는 거란 소린가? 어이 어이, 한 눈에 반했다의 반했다가 아니다. '반대된다'의 반한다는 개념이다. 원 무서워서 말을 할 수가 있어야지. 두 번째 개념이 맞다. 우리가 아는 물질에 반대되는 것이 반물질(反物質)이다. 반대 성질을 가졌다고나 할까? 유식하게 영어로는 Matter(물질), antimatter(반물질)이라고 한다. 뭐 물질이라고 하면 나막신에겐 matter보다는 material이 와 닿지만 영어 만든 넘들이 matter라고 하니 할 말 없다. matter라고 하면 물질보다는 '문제, 현상' 따위가 와 닿아서 헷갈린다. 그래도 이번 글은 영어를 쓸 수밖에 없다. 한문으로 써버리면 전부 다 '반'이라고 붙어 버려서 구분이 잘 안되기 때문이다.

양성자, 중성자, 전자로 구성되는 물질이 그에 반대되는 반양성자, 반중성자, 반전자로 구성되어 있는 것이 반물질이다. 어려운가? 쉽게 생각하자. 거울이라고 생각하면 된다. 거울 속의 나를 보자. 모든 것이 똑같다. 그러나 모든 것이 반대이지 않은가? 그래도 어려운기? 그럼 이쯤에서 이 글을 접어라. 더 이상 읽으면 머리에다 대고 야옹 하고 외치고 싶을 것이다.

좀 더 쉽게 설명하자면 건전지(충전지 포함)와 자석을 끌어대 본다. 건전지에 전기가 통하려면 전류가 +극에서 -극으로 통해야 한다. 그런데 반물질로 된 전지가 있다면 전류가 반대로 -극에서 +로 흐르게 된다. 고로 건전지나 충전지를 2개를 직렬로 연결해서 넣을 때는 +와 -극이 맞대도록 해야 하지만 한 개는 물질, 다른 한 개는 반물질 전지라면 같은 극(+는 +, -는 -)으로 연결해야 전기가 흐르게 된다.

자석이라면 원래 같은 극(N-N, S-S)끼리 서로 밀친다. 그런데 하나가 반물질 자석이라면 같은 극끼리 들러붙고 다른 극(S-N, N-S)끼리 밀치게 된다.

 

 

반물질의 창시자?

1930년(혹자는 28년) Paul Dirac이라는 사람이 전자기장 내에서의 전자 이동을 설명하는 이론을 내놓으면서 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 도입했는데 이게 이전의 이론보다 훨씬 잘 들어맞아 유명세를 타게 된다. 그런데 이 이론을 내면서 전자이면서 전자(electron)와는 반대의 성질을 가지는, 전자는 - 전기인데 + 전기를 가지는 반전자(positron)가 있을 것이라는 예상을 하는데 이것이 반물질의 첫 등장이다.

이 이론이 31년 Carl D. Anderson의 시험에 의해 질량 등 모든 성질은 전자와 동일한데 움직이는 방향이 전자와 반대인(전자와는 반대인 + 전기를 띄므로 전자처럼 +극으로 움직이는 게 아니고 -극으로 움직인다) 반전자가 실제로 존재한다는 것이 증명되었다.

Dirac의 이론의 전자뿐만이 아니라 양성자, 중성자 등에도 전부 해당되는 것이었고 반전자뿐이 아닌 다른 반입자도 존재한다고 입증되었다. 이렇게 반물질이 실제로 존재한다는 것이 증명되면서 물질의 정의가 바뀌어 버렸다. 원래는 '우주를 구성하는 질량을 가진 모든 것'이었는데 지금은 '실증된 특정 종류의 입자' 정도로 바뀌어 버렸다. 물론 교과서는 아직 바뀌지 않았다. 덕분에 고등학교 정도까지의 일반적인 학생이라면 여전히 반물질에 아예 관심이 없거나 기껏해야 SF에나 존재한다고 생각할 것이다. 그러나 머리가 좀 트인 학생이라면 시험적인 단위로는 실제 존재한다는 것을 아는 학생도 있을 것이다.

당신은 어느 부류에 속하는가? 나막신은 SF에만 존재하는 걸로 생각했다. 여하튼 1955년에는 반양성자, 1959년 반중성자의 발견을 끝으로 전자, 양성자, 중성자에 대한 반물질이 전부 발견된 상태다. 1995년에는 유럽의 CERN에서 반 수소 원자가 만들어진다. 수소 원자는 원래 양성자 한 개와 전자 1개로 구성되는데, 반 수소 원자는 반양성자 1개와 반전자 1개로 구성되어 있었다. 하지만 생성시 거의 광속으로 움직이며 지속 시간이 겨우 40나노초 정도였다. 현재의 추측으로는 우주가 생성될 때 물질과 반물질이 동일한 양으로 생성되었을 거라는 가설도 있다.

그런데 지금은 그 반물질들이 다 어디로 숨어 버렸을까? 어쩌면 아예 천연적인 반물질은 없을지도 모른다. 하지만 학자들은 1977년 가 본 적도 없는 은하계 중심에 반물질이 있을지도 모른다는 학설을 내놓아서 사람을 헷갈리게 하고 있다. 동일하지 않게 생성되었다고 가정하면 조금 쉬워진다. 물질/반물질 반응으로 반물질은 대부분 소멸하고 좀 더 대량이었던 물질세계에 우리가 살고 있다고 보면 된다. 꼭 동일하다고 생각한다면 우리가 사는 세계는 물질의 세계이고, 어딘가 멀리에 반물질의 세계가 있다고 보면 되지 않겠는가?

자, 그럼 도대체 반물질 추진이니 반물질 폭탄이니 하는 것들은 뭔가 알아보자. 솔직히 이거 기다렸던 거 아닌가?

당신이 어떤 물질 1kg(물이건 기름이건 설탕이건 뭐건 간에)을 완벽하게 에너지로 변환시킬 수 있다면 250억 kWh에 해당하는 에너지를 얻게 된다. 대략 자동차를 10만년 동안 굴릴 수 있다는 말이다. 웃기는 소리 아닌가? 우리 집 차는 기름을 가득 채워 놓으면 500 킬로 정도에서 다시 기름이 떨어져 불이 들어오는데 10만년이라니! 이는 아인슈타인이 만들어 놓은 E=mc2의 공식에 의한 것이다.   

물질과 반물질이 접촉하면 엄청난 에너지(방사선)를 방출하는데 일단 전자의 경우는 실제로 증명되었다. 반전자를 인위적으로 만들 수 있기 때문이다. 현재 반양성자 1g의 가격은 현재 63조 달러 정도라고 한다. 로또 따위로는 구경하기도 힘들다. 그나마 이 1g도 실제 50%의 효율로 생산된다고 한다. 나머지는 그냥 양성자가 나온다나? 그렇게 되면 생산 과정에서 폭발해 버리지는 않는 걸까? 하긴 생산이 된다는 거 보면 그렇진 않은 모양이다.

위의 GIF가 정신 사나운 분들을 위한 조용한 사진

여하간 이렇게 두 물질이 충돌하면 완전히 에너지 형태로 바뀌어 버린다. 전혀 손실이 없다. 영어로는 'Annihilation', 전멸이라고 표현한다. 고로 아까의 차로 따진다면 10만년을 쓸 일은 없으니까 차가 광속으로 달리는 것도 가능해질지도 모르는 일이다. 자동차에 쓰이는 휘발유 엔진에서 일어나는 폭발반응은 대부분이 열로 손실되고 20% 정도만이 크랭크축을 구동시키는데 사용된다. 가솔린 엔진의 효율이 100%라면 과연 어떤 일이 벌어질까? 단순 계산, 지금 당신이 갖고 있는 차의 마력 수가 5배가 된다. 전기 모터의 경우가 효율은 훨씬 높아서 70% 정도가 된다고 한다.

                                     Penn State 대학의 반물질 우주선 상상도

               왼쪽이 추진부, 오른쪽은 착륙용 모듈, 중앙 부분이 반물질 저장과 반응부

물질, 반물질 반응이라면 현재 우주선에 쓰이는 수소, 산소 연소 연료의 100억배 정도의 에너지를 얻을 수 있을 것으로 예상하고 있다. 핵분열보다 1,000배, 핵융합보다 300배 강력하다. 계산상으로 10그램의 반물질이면 유인 우주선이 화성에 1개월 내 도착한다고 한다. 96년 발사된 탐사선은 11개월 걸려 도착했으니 근 1/10으로 줄어드는 셈이다. 1/10이면 별거 아니지 않냐고? 반물질 1g이면 우주왕복선 23대 분의 연료라고 하는데 11개월 걸린 탐사선이 연료 10g만 싣고 갔을 거라고 생각하나?

반물질 추진의 원리는 간단하다. 자기장에 저장되어있는 반물질을 물질에 충돌시키면 순간 엄청난 에너지를 방출하는데 이 에너지를 한 방향으로만 방출되도록 배치하면 반대 방향으로 움직이게 되는 것이다.

                                             나사 공장의 반물질 우주선 상상도

반물질 폭탄은 위로 보면 쉽지 않은가? 같은 무게라도 핵폭탄(분열 반응 이용)의 1,000배, 수소폭탄 융합 반응 이용)의 300배라면? 미공군이 반물질 폭탄을 개발하고 있다는 이야기가 있다. 뭐 사실 미군이 뭐하고 있을 진 아무도 모른다. 반물질 백만분의 1g이면 TNT 37.8kg에 맞먹는다. 히로시마에 투하되었던 리틀 보이는 10킬로톤으로 알려져 있는데, 단순 나누기로 하면 반물질로 만들면 백만분의 264,550g 이 필요하다. 겨우 0.26g 정도가 필요한 것이다. 리틀 보이에 쓰였던 우라늄 235는 정확하게는 모르겠지만 10kg 이상이었다. 엄청난 차이다. 거기에다 반물질 반응 시에 나오는 방사선은 감마선으로 중성자 폭탄이 터졌을 때와 동일하다. 이것은 냉전 당시 꿈에도 그리던 무기로 잔류 방사선은 하나도 남기지 않으면서 생명체만 싹쓸이하는 참 뭐 같은 무기인 것이다.

마지막으로 이번 글을 재정리하면서 구글 검색을 하다 보니 이런 문구가 눈에 띄었다. What's the matter with antimatter?" 영어식 말장난인데 여러분의 영어 실력 향상을 위하여 자세한 의미는 설명하지 않겠다. 정말 기발한 문구다.

[Posted by 나막신]

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Angels and Demons

Dan Brown's book Angels and Demons is a detective story about a secret society that wants to destroy the Vatican using an antimatter bomb. In the book, the antimatter is stolen from CERN.

Readers have asked us even more questions about the technologies used in the story. Here are our answers.

                                        (ambigram courtesy John Langdon)

앰비그램(ambigram)-좌우나 위아래로 뒤집어 보아도 같은 단어로 읽히거나 혹은 또 다른 단어로 읽힐 수 있게 만든 문자 디자인

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"천사와 악마"라는 소설에 대해 들어본 사람이 있을 것이다. 다빈치 코드의 작가가 쓴 또 다른 유명한 소설인데, 나 역시 재미있게 읽은 바 있다. 이 소설에 등장하는 주요 무대 중에 하나가 바로 유럽 핵물리 연구소(CERN)이다. 그런데 CERN에 대해서 관심이 집중되면서 "그거 진짜예요?"라고 물어보는 사람이 많아졌는지 CERN에서는 그에 대한 오해를 풀어주는 페이지를 만들었다. 질문 하나씩 읽어보도록 하자. (번역은 완전 내맘대로 이므로 정확한 뜻을 알고 싶다면 직접 읽어보기 바란다)

Does CERN exist?

CERN은 있는건가요?

Well, yes, it does.  You can see us to the left and slightly up from the centre of the city of Meyrin.

당연히 있다. 메이린에 와 봐라.

Is it located in Switzerland?

스위스에 있는 건가요?

Part is in Switzerland, part in France across the border.  CERN is not a Swiss institute, but an international organization. We are very close to Geneva's intercontinental airport.

스위스랑 프랑스에 걸쳐있다. CERN은 스위스 연구소가 아니라 국제기구이다. 제네바 국제 공항에 엄청 가깝다.

What does the acronym CERN mean?

CERN은 대체 뭔 뜻인가요?

That is a long story.

긴 얘기가 있다. 읽어봐라.

http://user.web.cern.ch/user/CERNName/CERNName.html

Does it consist of red brick buildings with white-frocked scientists running around carrying files?

흰색 예복을 입은 과학자들이 파일을 운반하는 빨간 벽돌 건물이 있어요?

No, that is rather far from reality: we have mostly white buildings made of concrete and the scientists wear everyday clothes and they mostly do not carry files.

당근 없다. 현실과 동떨어져있다. 대부분 흰색 콘크리트 건물이고 과학자들은 맨날 사복을 입고 대부분 파일을 운반하지도 않는다.

Was the web really invented at CERN as the book states?

정말로 CERN에서 웹이 개발되었나요?

Yes, indeed, the web came from CERN, invented here by Tim Berners-Lee in 1989.

대략 그렇다. 웹은 여기의 팀 버너스-리에 의해 1989년에 발명되어 그때부터 시작되었다.

Does antimatter exist?

반물질은 있는 건가요?

Yes, it does, and we make it routinely at CERN. Antimatter was predicted by P.A.M. Dirac's theory of quantum mechanics in 1928 and antiparticles were found soon after by Carl Anderson. CERN is not the only research institute to produce and study antimatter.

당근 있다. 우리가 맨날 만든다. 반물질은 디랙의 양자역학에서 1928년 예언되었고 칼 앤더슨이 곧 발견했다. CERN은 그걸 만드는 것뿐만 아니라 연구도 한다.

How is antimatter contained?

반물질은 저장 되는 건가요?

With very great difficulty. It annihilates completely when it touches any normal matter. There are two cases:

Case 1: If an antiparticle is electrically neutral then electric and magnetic fields have no hold on it at all. Therefore, there is no easy way to contain neutral antimatter particles, i.e. no way to keep them away from the normal-matter walls of the vessel in which they are.  They therefore almost immediately come into contact with normal matter and annihilate.

Case 2: For electrically charged antimatter particles such as positrons (antielectrons) and antiprotons we know how to use "electromagnetic bottles" to contain them. However:  like charges repel each other.  So it is not possible to put a large quantity of antiprotons together because the repulsive forces between them soon become too strong for the fields that hold them away from the walls.  And you cannot put a mixture of positive antielectrons and negative antiprotons together, because they will make antihydrogen, which is neutral and we are in case 1 again.

So only very minute quantities can be contained.

무지 빡세다. 반물질은 보통 물질로 건드리면 확실하게 사라진다.

두 가지 경우가 있다

1번 : 만약 반물질이 전기적으로 중성이면 전자기력으로 잡을 방법이 없다. 그러므로 중성의 반물질을 저장해둘 수는 없다는 거다. 즉, 보통 물질로 만든 그릇에 걔들을 담아둘 수가 없다는 뜻이다. 그러므로 이런 종류의 반물질은 보통 물질과 만나자마자 바로 사라진다.

2번 : 만약 반중성자나 양전자(반전자)처럼 전기를 띠고 있으면 전자기력 그릇에 담아둘 수가 있다. 그러나 같은 종류의 전하끼리는 밀어내는 힘이 있기 때문에 많은 양을 담을 수는 없다. 아마 양전자 몇 개를 한군데 모아두면 반발력 때문에 벽을 뚫고 나가버릴 것이다. 또한 그렇다고 반대 전하를 가지는 반양성자와 반전자를 모아둘 수도 없다. 그렇게 둘을 섞어두면 걔들은 반수소를 형성하는데, 반수소는 중성 원자이므로 1번 경우가 되어 도망가 버린다. 대충 몇분 정도를 저장할 수 있다고 보면 된다.

What are the future uses of antimatter?

반물질은 앞으로 어디다 쓰나요?

Antielectrons, or positrons, are already used in PET scanners in medicine (Positron-Emission Tomography = PET).

Other uses are in studying the laws of nature, as we do at CERN.  The team of the PS210 experiment at the Low Energy Antiproton Ring (LEAR) at CERN made the first antihydrogen atoms in 1996. Then, in 2002 experiments managed to produce tens of thousands of antihydrogen atoms, a sufficient number to study this gas in its antimatter form.  However, although "tens of thousands" may sound a lot, it's really a very very small amount.  You would need 10'000'000'000'000'000'000 times that amount to have enough antihydrogen gas to fill a toy balloon!  If we could somehow store our daily production, it would take us 25'000'000 billion years to fill the balloon.  The universe has only been around for 13.7 billion years...

So the Angels and Demons scenario is pure fiction.

반전자는 이미 PET(양전자 영상장비)에서 의료용으로 쓰고 있다. 아니면 CERN에서처럼 자연법칙을 밝히는데 쓰기도 한다. 저에너지 반양성자 링(LEAR)의 PS210실험 팀은 1996년에 최초로 반수소 원자를 만들었고 2002년에는 수만개의 반수소 원자들을 만들었다. 수만개정도면 반물질 기체의 성질을 연구하는데는 충분하다. 수만개가 많아보일지도 모르겠지만, 사실 그정도는 엄청 작다. 만약 장난감 풍선을 반수소 기체로 채우려면 수만개보다 10000000000000000000배 큰 양의 반수소를 집어넣어야 한다. 우리가 맨날 수만개씩 만들어도 풍선 하나 채우는데 250000000억년 걸린다. 우주가 지금까지 137억년 정도 존재했으니 뭐 대충 짐작해 주기 바란다. 그러므로 천사와 악마의 시나리오는 완전 구라다.

Can we hope to use antimatter as a source of energy? Do you feel antimatter could power vehicles in the future, or would it just be used for major power sources?

반물질을 에너지원으로 쓰면 안 되나요? 미래에는 반물질로 가는 자동차를 만들 수 있을까요?

There is no possibility to use antimatter as energy "source".  Unlike solar energy, coal or oil, antimatter does not occur in nature:  we have to make every particle at the expense of much more energy than it can give back during annihilation.

You might imagine antimatter as a possible temporary storage medium for energy, much like you store electricity in rechargeable batteries.  The process of charging the battery is reversible with relatively small loss.  Still, it takes more energy to charge the battery than what you get back out of it.  For antimatter the loss factors are so enormous that it will never be practical.

If we could assemble all the antimatter we've ever made at CERN and annihilate it with matter, we would have enough energy to light a single electric light bulb for a few minutes.

절대 그럴 가능성 없음이다. 태양에너지, 석탄, 석유 뭐 그런 것과는 다르게 반물질은 자연계에 존재하지 않는다. 우린 단지 무지막지하게 많은 돈을 들여서 무지막지하게 많은 에너지를 사용해서 만들어야만 하는데, 더군다나 이건 바로 사라져 버린다.

니가 한번 반물질을 전기 배터리 같은 에너지 저장고라고 생각해 봐라. 원래 충전이라는 건 되돌릴 수 있어야 하고 손실이 적어야 하며 당연히 에너지로 쓰는 건 쉬워야 한다. 반물질은 실제로 쓰기에는 손실이 너무 크다.

뭐 굳이 우리가 CERN에서 만든 반물질을 물질과 만나게 해서 에너지로 바꾼다 해도 그건 꼬마전구를 겨우 몇 분 돌릴 수 있을 정도의 에너지밖에 안 된다.

I was hoping antimatter would be the future answer to our energy needs. It seems more research is needed for this to happen.

반물질이 미래의 에너지원이 된다면 참 좋겠다고 생각해요. 그렇게 되려면 연구가 좀 더 필요하겠죠?

No, the true answer is that it will never happen simply because of the entropy problem.  Creating antimatter out of energy via E=mc2 unfortunately always produces equal amounts of normal matter and antimatter. This is fundamentally built into the universe.  For any given amount E of energy you will get m/2 grams of antimatter and m/2 grams of matter.  Putting these two amounts back together and annihilating them gives back E.  But the process is not without loss:  today the loss is enormous, but even if we could make the process very efficient, we would still not have any net gain!

It is not a matter of "more research" or "more advanced technology" to find ways around these limitations. Antimatter is a fundamental state of matter.  It could only become a source of energy if you happened to find a large amount of antimatter lying around somewhere (e.g. in a distant galaxy), in the same way we find oil and oxygen lying around on Earth.  But as far as we can see (billions of light years), the universe is entirely made of normal matter and antimatter has to be painstakingly created.

This by the way shows that the symmetry between matter and antimatter as stated above does not hold at very high energies, such as shortly after the Big Bang, since otherwise there should be as much matter as antimatter in the Universe. These energies are higher than any that can be achieved on Earth at present; what future research might tell us is how this asymmetry came about, although it is extremely unlikely to lead to the possibility of using antimatter as an energy source.

노. 엔트로피 문제 때문에라도 절대 불가능하다는 것이 답이다. 아인슈타인의 질량-에너지 등가 공식을 이용해서 반물질을 만들 때는, 항상 같은 양의 보통 물질과 반물질이 만들어진다. 이것은 우주의 기본적인 특징이다. 어떤 양의 에너지에 대해서도 m/2그램의 반물질과 m/2그램의 물질이 만들어질 것이다. 하지만 이 과정은 반드시 손실이 있어야 한다. 요새는 많이 효율적으로 변하긴 했지만, 여전히 무지막지한 낭비가 일어나기 때문에 실제로 얻을 수 있는 건 없다.

"더 많은 연구"나 "더 발전된 기술"이라고 해봐야 이정도 수준이다. 반물질은 물질의 기본적인 상태이다. 반물질이 에너지원이 되려면 지구에서 기름과 산소를 어딘가에서 찾아내듯이 우주 어딘가에 있는 거대한 양의 반물질 덩어리를 찾아냈을 때에나 가능한 일이라는 것이다. 하지만 큰 우주(10억광년쯤) 수준에서도 우주는 모두 평범한 물질로 만들어져 있다.

이것은 빅뱅 직후 같은 아주 높은 초 고에너지 상황에서는, 물질만큼이나 많은 반물질이 있어야 하기 때문에 물질과 반물질 사이의 대칭성이 깨져있다는 것을 뜻한다. 이정도 에너지는 지구에서 도달할 수 있는 어떤 에너지보다 더 큰 에너지 수준이다. 반물질을 에너지원으로 쓰려면 물질과 반물질 사이의 대칭성이 어떻게 깨지는지에 관한 연구가 필요할 것이다.

Can we make antimatter bombs?

반물질 폭탄을 만들 수 있나요?

There is no possibility to make antimatter bombs for the same reason you cannot use it to store energy: we can't accumulate enough of it at high enough density.

Sociological note: scientists realised that the atom bomb was a real possibility many years before one was actually built and exploded, and then the public was totally surprised and amazed.  The antimatter bomb on the other hand has been imagined by the public who wants to know more about it, yet we have known for a very long time that it's not at all a practical device...

반물질 형태로 에너지를 저장할 수 없는 이유와 마찬가지로 반물질 폭탄 역시 만들어질 가능성이 없다.

사회학적 견해 : 과학자들은 원자폭탄이 실제로 만들어지고 폭발하기 몇 년 전에 그 진짜 가능성을 깨달았고, 사람들은 완전히 놀라고 미쳤었다. 반면에 반물질 폭탄은 그에 대해 좀 더 알고 싶어 하는 사람들에 의해 상상되었지만, 실제로 만들 수 없다는 사실 역시 잘 알고 있는 바이다.

Why has antimatter received no media attention?

왜 반물질은 언론의 주목을 받지 못하나요?

It has received a lot of media attention, though usually in the scientific press.  Also, antimatter is not "new": we've been using it for decades; antimatter has been observed for almost a hundred years.

반물질은 꽤 많은 언론의 주목을 받고 있다, 비록 과학 언론에 한해서 이긴 하지만 말이다. 사실 반물질은 전혀 "새롭지" 않다. 우린 벌써 그걸 수 십 년 간 써먹어 왔고, 거의 백년간 관찰해 왔었다.

Is antimatter truly 100% efficient?

진짜로 반물질은 100%효율인가요?

Depends what you mean by efficient.  If you start from two equal quantities m/2 of matter and m/2 of antimatter, then you get exactly E=mc2 as energy out.  Of course.  It converts at 100%.

But that is not the point:  how much effort do you have to put in to get m/2 grams of antimatter?  Well, theoretically E=mc2 because half of the energy will become normal matter.  So you gain nothing.  But the process of creating antimatter is highly inefficient:  when you make antimatter particles, a lot of them go astray before you can catch them.  Everything happens at nearly the speed of light, and the particles created zoom off in all directions.  Somewhat like cooking food over a campfire:  most of the heat is lost and does not go into the cooking of the food, it disappears as radiation into the dark night sky. Very inefficient.

In fact we have to use hundreds of times more energy to create the matter/antimatter pairs than the theoretical minimum of mc2, but we won't ever get back more than mc2.

너가 효율이라는 걸 어떻게 생각하는지에 따라 다르다. 만약, 두개의 같은 질량을 가진 반물질과 물질이 만난다면, 정확히 질량-에너지 등가 공식에 따라 에너지가 나올 것이다. 이런 경우는 당연히 100%라고 말할 수 있다.

하지만 이렇게 생각해보자. 무슨 수로 반물질을 얻을 건데? 이론적으로 반물질을 만들기 위해 필요한 에너지의 절반은 보통 물질을 만드는데 들어간다. 아무것도 얻을 수 있는 게 없기 때문에, 반물질 제조 과정은 대단히 비효율적이다. 게다가 거의 빛의 속도에 가까운 영역에서 일어나는 일들인데, 입자들은 모든 방향에 대해서 압축되어 보인다. 대략 모닥불에 요리하는 것과 비슷하다. 모닥불에 요리를 할 때 대부분의 열에너지는 하늘로 날아가 버린다. 초 비효율이다.

실제로는 반물질-물질을 만드는데 필요한 이론적인 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지가 필요하다. 하지만 우린 만들어진 반물질-물질의 질량 이상의 에너지를 절대로 되돌려 받을 수가 없다.

Do you make antimatter as described in the book?

"천사와 악마"에 써있는 것처럼 반물질을 만드나요?

No. The production and storage of antimatter at CERN is not at all as decribed in the book:  you cannot stand next to the Large Hadron Collider (LHC) and see it come out, especially since the LHC accelerator is not yet in operation. 

To make antiprotons we collide protons with a block of tungsten (Wolfram). Out of this come a large number of particles, some of which are antiprotons. only the antiprotons are useful, and only those that fly out in the right direction. So that's where your energy loss goes:  it is like trying to water a pot of flowers but you only have a sprinkler that sprays over the whole garden.  Of course, we constantly apply new tricks to become more efficient at collecting antiparticles, but at the level of elementary particles this is extremely difficult and sometimes impossible.

CERN에서 반물질을 만들고 저장하는 건, 책에 있는 것이 전부가 아니다. 거대 강입자 충돌장치(LHC)가 아직 작동중이 아니다. 반양성자를 만들 때는, 텅스텐 벽돌에 양성자를 때려서 만든다. 그 결과 수많은 입자들이 쏟아져 나오고 그중에 몇 개가 반양성자이다. 그 많은 입자 중에서 반양성자만 필요하고, 게다가 우리가 원하는 바로 그 방향으로 날아가는 것만이 유용하다. 나머지는 다 날리는 것이다.

이건 마치 꽃 몇 송이를 위해서 정원 전체를 뒤덮을 수 있는 스프링클러를 사용하는 것과 비슷하다. 물론, 우린 항상 반입자들을 모으는데 좀 더 효율적인 방법을 찾기 위해 노력하고 있다. 하지만 그게 기본입자들 수준에서는 무지막지하게 어렵고, 대부분 불가능한 일이다.

Why then do you build the LHC?

그럼 왜 LHC를 건설하나요?

The reason for building the LHC accelerator is not to make antimatter but to produce concentrations of energy high enough to study effects that will help us understand some of the remaining questions in physics.  We say concentrations, because we are not talking about huge amounts of energy but enormous concentration.  The energy in each particle that we will accelerate in the LHC is equivalent to the amount of energy in a flying mosquito.  Not much at all in absolute terms, but it will be concentrated in a very minute space and inside that minute space things will resemble the state of the universe close to the Big Bang.

You should compare the concentration effect to what people can learn about the quality of a wooden floor by walking over it.  If a large man wearing normal shoes and a petite woman wearing sharp stiletto heels walk over the same floor, the man will not make dents, but the woman, despite her lower weight, may leave marks:  the pressure created at the stiletto heels is far higher.  So that's like what the LHC will do:  concentrate little energy into a very minute space to make a huge concentration effect and learn something about the Big Bang.

LHC가속기를 건설하는 이유는 반물질을 만들기 위해서가 아니라, 물리학에서 아직까지 남아있는 몇 가지 문제들을 해결하는데 도움이 될 만한 연구를 진행하는데 충분한 에너지를 모으기 위해서이다. 여기서 모은다는 말의 뜻은 에너지를 많이 쓴다는 게 아니라 에너지를 집중시킨다는 뜻이다. LHC안에서 가속된 각각의 입자가 가지는 에너지는 겨우 모기가 날아가는 정도의 에너지뿐이다. 아주 작은 공간에 우주의 빅뱅에 가까운 상태를 만들기 위해서 에너지를 집중시키는 것이다.

나무로 된 마룻바닥을 걸어가는 경우, 사람들이 날카로운 굽의 신발을 신고 있으면 나무에 자국이 남게 된다. 마찬가지로 LHC에서 적은 양의 에너지라 해도 고도로 집중시킬 수만 있으면 빅뱅에 관한 뭔가를 연구할 수도 있을 것이다.

Does CERN have a particle accelerator 27 miles long?

27km짜리 입자 가속기를 갖고 있나요?

The LHC accelerator is a ring of 27 kilometers in circumference.  There is a lot of the technical details on its own site. The LHC is in a tunnel about 100 m underground. You can see the round outline of it marked on a map of the area.

LHC가속기는 둘레가 27km인 고리 모양이다. 자세한건 LHC사이트를 참고해라. LHC는 100미터 지하의 터널이다. 지도에 보면 대충 어느 정도인지 표시되어 있다.

In fact, why do you make antimatter at CERN?

까놓고 말해서, 대체 반물질을 왜 만드는 겁니까?

The principal reason is to study the laws of Nature.  The current physics theories predict a number of effects, and many of the effects concern antimatter.  If experiments do not observe the predictions, then the theory is not accurate and needs to be amended or reworked.  This is how science progresses.

Another reason is to get extremely high energy densities in collisions of matter and antimatter particles, since they annihilate completely when they meet.  From this annihilation energy other interesting particles may be created (this was mainly how the Large Electron Positron or LEP collider operated).

가장 중요한 이유는 자연의 법칙을 연구하는 것이다. 현재 물리학 이론은 수많은 효과들을 예측하고 있고, 그중 많은 것들이 반물질과 관련되어 있다. 만약 실험에서 예측들이 관찰되지 않는다면, 그 이론은 정확하지 않은 이론이고 다시 만들 필요가 있다. 이것이 바로 과학이 발전하는 방법이다.

또 다른 이유는 물질과 반물질이 만날 때 완벽하게 사라지기 때문에 생기는 높은 에너지 밀도를 얻기 위해서이다. 이때 사라지면서 생기는 에너지 때문에 많은 흥미로운 입자들이 만들어질 것이다. (이것이 바로 거대 전자-양전자 충돌장치가 작동하는 기본 원리이다)

How is energy extracted from antimatter?

어떻게 반물질에서 에너지를 추출하나요?

When a normal matter particle hits an antimatter particle, they mutually annihilate into a very concentrated burst of pure energy, from which in turn particles are created.  These new particles can be matter particles or energy particles (photons), depending on a number of factors, with an obvious constraint that the total incoming energy is exactly equal to the outgoing energy.  Almost all of it ends up as heat.  Not very useful.

보통 물질이 반물질을 만났을 때, 얘들은 사로 사라지면서 굉장히 순수한 에너지가 집중된 섬광으로 변신한다. 그리고 새로운 입자들이 만들어진다. 이렇게 만들어진 새로운 입자들은 여러 가지 요소와 에너지 보존법칙을 만족하면서 생성된다. 거의 대부분은 열에너지가 된다. 그다지 쓸모 있지는 않다.

How safe is antimatter?

반물질은 얼마나 안전한가요?

Perfectly safe, given the minute quantities we can make.  It would be very dangerous if we could make a few grams of it, but we can't.

우리가 만들 수 있는 만큼은 완벽하게 안전하다 (워낙에 소량이라서)

만약 우리가 몇 그램 정도라도 만들 수 있으면 무진장 위험하겠지만, 그건 불가능한 일이다.

If so, does CERN have protocols to keep the public safe?

만약 그렇다면, CERN은 공공의 안전을 지킬 수단이 있나요?

There is no danger from antimatter. There are of course other dangers on the CERN site, as in any laboratory:  high voltage power in certain areas, deep pits to fall in, etc. but for these dangers the usual industrial safety measures are of course put in place.  There is no radioactive leak danger for the public as you might find around nuclear power stations.  There is even no indirect danger such as from thermal power stations and oil comsumption which produce longer term pollution and global warming.

위험하지 않다니깐 다른 연구실에서도 있는 수준의 위험한 것들은 당연히 CERN에서도 있다. 가령 몇몇 장소는 고전압이 있고, 추락할만한 곳도 있다. 하지만 이런 위험한 것들은 안전점검을 받고 있다. 그리고 원자력 발전소 주변에서 있을 수도 있는 방사선 누출도 없다. 심지어는 석유 발전소에서 나타나는 지구 온난화 문제와 장기적인 공해 같은 간접적인 위험도 없다.

Does one gram of antimatter contain the energy of a twenty kiloton nuclear bomb?

A "kiloton" in this context means a thousand tons of TNT explosive. Twenty kilotons was the equivalent of the atom bomb that destroyed Hiroshima.

The question is somewhat confusing:  you are probably talking about the explosive release of energy by the sudden annihilation of one gram of antimatter. Let's calculate it.  A "kiloton of TNT" is not a metric unit, it corresponds to 4.2x1012 joules.  A 60 watt light bulb consumes 60 joules of energy per second.  The notation 1012 means a 1 followed by 12 zeros:

1'000 = kilo = 103    1'000'000 = mega = 106    1'000'000'000 = giga = 109    1'000'000'000'000 = tera = 1012

So a kiloton is 4.2 terajoules or 4.2 TJ.

A gram is 0.001 kg.  The speed of light is 300'000 km/s or 300'000'000 meter/s.  Now E=mc2 so for 1 gram we get

E= 0.001 x 300'000'000 x 300'000'000 kgm2/s2 = 90'000'000'000'000 J or 9x1013 joules or 90x1012 J or 90 TJ.

If 4.2 TJ corresponds to a kiloton of TNT, then 90 TJ corresponds to 90/4.2 = 21.4 kiloton. About right.

But for the antimatter bomb we are actually talking about two grams: one gram of antimatter, annihilating with one gram of normal matter, and therefore you would release twice that amount! You need only half a gram of antimatter to be equally destructive as the Hiroshima bomb, the half gram of normal matter is easy enough to find.

At CERN we make quantities of the order of 107 antiprotons per second and there are 6x1023 of them in a single gram of antihydrogen. You can easily calculate how long we would have to work to get one gram if we could make the 107 antiparticles every second:  we would need 6x10(23-7)=6x1016 seconds. There are only 365x24x60x60 = 3x107 seconds in a year, so it would roughly take 6x1016/3x107 = 2x109 or about two billion years!  Of course, it would be utterly impossible to contain this amount of pure negative electric charge.

(이부분은 번역 안했음)

Did CERN scientists actually invent the internet?

진짜로 CERN의 과학자들이 인터넷을 만들었나요?

No. The internet was originally based on work done by Louis Pouzin in France, taken up by Vint Cerf and Bob Kahn in the US in the 1970's. The web however was invented and developed entirely by Tim Berners-Lee and a small team at CERN during 1989-1994. The story of the Internet and the Web can be read in "How the Web was born". Perhaps not as sexy as Angels and Demons, but everything in "How the Web was born" was first-hand testimony and research.

아니다. 인터넷은 원래 프랑스의 루이스 푸친의 작업에 기반을 두고 있다. 하지만 웹은 실제로 거의 대부분이 팀 버너스-리와 CERN의 작은 팀이 1980년에서 1994년 사이에 개발한거 맞다. 인터넷과 웹의 이야기는 "How the Web was born"책을 읽어보기 바란다. 물론 이건 "천사와 악마"처럼 섹시한 책은 아닐 것이다.

Does CERN own an X-33 spaceplane?

CERN에 X-33비행기가 있나요?

No.

없다

 

October 2004

Last revised: January 2008

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