금, 녹는 점 14배 가열해도 안 녹아…"물리법칙 깨졌다"

과학자들이 초고속 레이저를 사용해 금을 녹는 점의 14배까지 가열했으나 액체로 변하지 않은 것을 확인했다고 과학전문매체 라이브사이언스가 최근 보도했다. 해당 연구 결과는 지난 달 말 국제학술지 ‘네이처’에 실렸다.

이 실험은 수십 년간 이어온 고체 안정성에 대한 물리학 기본 법칙을 깨뜨린 결과라고 외신들은 평가했다. 연구진은 이 방법이 극도로 뜨거운 시스템의 온도를 정확하게 측정하는 최초의 신뢰할 수 있는 방법이라고 밝혔다.

미국 연구진이 초고속 레이저를 사용하여 금 샘플을 가열해 금 내부에서 진동하는 원자의 속도와 온도를 측정했다. (출처=그렉 스튜어트/SLAC 국립 가속기 연구소)

태양을 둘러싸고 있는 플라스마나 행성의 핵과 같은 특이한 물질은 엄청나게 높은 온도까지 도달할 수 있으나 이런 ‘따뜻한 고밀도 물질’의 실제 온도를 측정하는 것은 쉽지 않았다.

미국 에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소 과학자이자 해당 논문 공동 주저자인 밥 나글러는 "밀도와 압력을 측정하는 좋은 기술은 있으나 온도는 그렇지 않다"며, “이는 수십 년 동안 해결되지 않은 문제"라고 밝혔다.

성공적인 온도 측정을 위해서는 측정 속도가 핵심이었다. 이를 위해 연구팀은 45펨토초(45조 분의 1초) 속도로 X선 레이저 펄스를 사용해 얇은 금 필름을 빠르게 가열해 해당 물질의 온도를 측정할 수 있었다.

하지만 연구진은 이 실험으로 새로운 온도 측정 기술 이상의 성과를 달성했다고 밝혔다. 미국 네바다대학교 물리학 부교수이자 해당 논문 공동 주저자 토마스 화이트는 "초고온 고체에서 예상보다 훨씬 높은 온도가 발견돼 놀랐다. 이는 1980년대부터 오랫동안 지속되어 온 이론을 반증하는 것"이라고 밝혔다.

고체 금 샘플을 가열시키자 섭씨 1만8천700도까지 온도가 올랐다. 이는 금 원소의 표준 녹는 점 섭씨 1천64도의 14배에 달하는 온도다. 화이트 교수는 "이것은 아마도 지금까지 기록된 가장 뜨거운 결정 물질일 것"이라며, "금이 녹기 전에 상당히 뜨거워질 것으로 예상했지만, 14배나 높은 온도 상승은 예상하지 못했다"고 밝혔다.

일반적으로 고체와 액체는 한 상태에서 다른 상태로 변하는 정해진 온도, 녹는점을 갖는다. 하지만, 특정 조건에서는 물질이 상태 변화 없이도 이 한계를 넘어 가열될 수 있는데, 이를 ‘과열’이라고 한다. 이 현상은 전자레인지에서 가열된 물에서도 종종 관찰된다.

1980년대에 물리학자들은 고체의 과열 효과의 한계를 녹는점의 3배로 계산했고, 이를 ‘엔트로피 재앙(entropy catastrophe)’이라고 부르며, 어떤 물질도 녹는점의 약 3배 이상에서 고체 상태를 유지할 수 없다는 이론적 한계를 제시했다. 하지만, 이번에 이 이론이 깨진 것이다.