기초과학

중국 물리학자, 빛이 직접 물질로 전환되는 과학적 증거 발견

발행일 : 2013 / 02 / 07

초고속 초강 레이저기술의 신속한 발전은 광이 직접 물질로 전환될 수 있는지에 대한 탐색을 위해 전례 없는 실험 조건을 제공하였으며 이와 같은 연구는 점차 물리학 분야의 새로운 선행연구 이슈로 떠오르고 있다.

중국과학원 물리연구소의 과학자들은 자기장 효과가 국지 초임계 전기장에서 양·음 전자쌍에 대해 일으키는 영향을 최초로 연구하였고, 연구결과는 “Physical Review Letters”에 발표되었다.

1928년 영국의 물리학자 디랙(Dirac)은 “디랙 방정식(Dirac equation)”을 도출한 공로를 인정받아 노벨상을 받았다. 디랙 방정식으로부터 제시한 다양한 예측은 많이 입증되었으나 “강자기장 진공상태에서 양·음 전자쌍을 발생시킬 수 있는지”에 대한 여부는 아직 입증되지 못하였다.

과학자들은 중이온 충돌, 전자빔과 강 레이저 충돌 등의 실험을 통해 양·음 전자쌍의 생성을 입증하였으나, 지금까지 강한 광필드로 직접 유발한 진공관통(Vacuum breakdown)과 상응한 양·음전자쌍 생성과정에 대한 실험은 아직 실현하지 못하였는데 주요 원인은 기존의 레이저시스템의 최대 강도로 직접 진공을 “관통”하기에 부족하기 때문이다.

중국과학원 물리연구소 광물리실험실 강 레이저 고에너지밀도물리 연구팀의 소개에 따르면 매우 의미있는 이론 및 수치 결과를 얻었는데, 대부분의 연구는 전기장만 고려했고 자기장효과는 고려하지 않았다고 밝혔다. 실제로 레이저에 전기장과 자기장이 동시에 존재한다.

연구팀은 양자필드이론을 이용한 비섭동(Non-perturbative) 정밀데이터 시뮬레이션을 통해 자기장효과를 고려할 경우 진공을 관통할만한 레이저 강도를 높여도 양·음 전자 쌍을 지속적으로 생성하지 않으며, 게다가 자기장 폭을 넓히면 생성된 입자수는 시간이 지남면서 기존의 공식으로 해석이 불가능한 진동효과가 나타나는 현상을 발견했다.

이 연구모형은 실제에 보다 접근하였고 외부 자기장·전기장의 양·음 입자 쌍의 생성과정에서 일으키는 효과 및 그 내부 물리원리를 더욱 깊이 해석할 수 있다.

연구원은 머지않아 레이저 강도를 “진공관통”에 접근 또는 도달하고 나아가 양·음 전자 쌍의 생성강도로 높일 수 있으며, 기타 효과의 영향을 받지 않는 상황에서 초임계장이 양·음 입자쌍을 생성하는 과정에 대해 직접 검증할 것이라고 밝혔다. 만약 이런 수준에 도달할 경우, 인류는 처음으로 빛이 직접 물질로 전환할 수 있다는 것을 입증하는 동시에 아인슈타인의 질량에너지변환공식(E=mc2)을 입증하는 셈으로 물리학발전에 거대한 영향을 미치게 될 것으로 전망된다.