하제를 위한 하제!

소리 전파
음파는 매질 움직임이 sin이나 cos같은 삼각함수 형태로 변화한다. 유체를 지나는 음파는 진행방향으로 밀도가 반복해서 높아지고 낮아지는 종파다. 폭탄 폭발같은 큰 소리가 발생하는 모습을 고속촬영하면 밀도 변화에 의해 아지랑이처럼 변하는 모습을 관찰할 수 있다. 유체는 횡파를 전달하지 않는다. 이상기체는 온도가 변하지 않을 때 다음 조건을 만족한다.

(P : 압력, V : 부피, n : 몰 수, R : 기체상수, T : 온도)

이상기체 상태방정식은 보통 이상기체에서는 항상 성립하지만 음파에 따른 변화와 같이 급변하는 환경에서는 성립하지 않는다. 음파 속도는 이상기체를 구성하는 입자의 평균 속도와 비교될 정도로 빠르므로, 음파가 지나갈 때는 보통 실험과 같은 온도변화가 나타나지 않는다. 기체 내부에너지(PV 또는 nRT) 변화가 느린 변화와 빠른 변화에서 다르기 때문이다. 수축할 때는 기체 온도가 올라가 내부에너지는 순간적으로 커지게 된다.팽창할 때는 내부에너지가 작아진다.

뉴튼(Newton)이 이상기체 상태방정식에 따라 소리가 전달된다 생각하고 음속을 계산했는데 30% 정도 작게 계산되었다. 앞에서 말한 대로 음파는 보통 실험과 다르기 때문이다. 뉴튼은 정확한 계산을 할 수 없었지만, 당시 권위로 틀린 생각을 밀어붙였었다. (뉴튼은 이렇게 어거지를 쓴 경우가 많았다. 물론 후대 과학자가 이들를 바로잡았다.)

음파의 이런 성질은 우리 상식을 벗어는 현상을 많이 만든다. 예를 들어서 큰 소리가 반대방향에서 전달되어 만날 경우 소리끼리 부딪혀 서로 상쇄한다. 소리가 공기분자에 일을 해 주고, 되돌려주는 과정을 거치면서 소리가 전파되는데 맞은편에서 다른 큰 소리가 올 경우에는 온도가 순간적으로 훨씬 높게 상승했다가 되돌아가는 과정에서 에너지를 소리에게 되돌려 주지 않고 열을 만들기 때문이다. "소리가 소리를 막는" 재미있는 비선형 현상이다.

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기포발광

액체 속에 기체방울이 있으면 액체와 기체의 음파 속도가 달라서 극적인 현상이 나타난다. 기체보다 액체의 음파 속도가 훨씬 빨라서 액체 속 기체 방울은 강제로 수축하고 팽창한다.
음파에 의해 기체방울 표면은 1000억 g 이상으로 가속될 수도 있다. 그래서 음파 때문에 강제수축되는 기체방울은 내부 에너지를 밖으로 방출하지 못 하고 수천~수만 K로 온도가 높아진다. 그래서 흑체복사에 의한 빛을 방출한다. 반대로 음파 때문에 강제팽창되는 기체방울도 액체가 팽창속도가 빠르다. 기체방울이 빠르게 강제팽창하면서 표면압력이 매우 낮으므로 주위 액체가 쉽게 증발해서 기체 방울과 섞인다. 기화하는 에너지는 음파가 공급한다. 이를 '기포발광' 혹은 '음파발광(sonoluminescence) '이라 부른다.

기포발광은 1933년에 처음 알려진 이후 잊혀졌다가 1990년대 들어와서 다시 연구가 시작했다. 2002년 미국 오크리지 국립연구소 루시 테일야칸 박사 연구팀은 기포발광을 이용해 상온 핵융합에 성공했다고 발표했으나 아직까지 논란이 계속되고 있다. (상온핵융합 가능성도 무시할 수 없지만, 재연실험 실패와 여러 정황을 미뤄볼 때 상온핵융합은 일어나지 않는 것 같다.)

2005 년 3월 3일자 '네이처'지에 미국 일리노이대 화학과 교수인 케네스 서슬릭 교수가 비교적 상세한 논문을 발표하였다. 서실릭 교수에 의하면 수 μm 크기의 네온(Ne)이나 크세논(Xe) 방울을 황산에 넣고 음파를 가하자 1만 기압 이상 압력에서 1~5만 K 이상 표면온도가 생성되며 50~250 ps동안 발광했다고 한다. 이 온도는 태양 표면의 몇 배에 해당하는 온도로 기체가 플라즈마가 되기 때문에 상온핵융합도 가능할 것이라 기대를 사람도 있다. 또 기포발광이 핵융합을 일으킨다 해도 핵융합 발전을 할 수 있는 지는 분명하지 않다. 핵융합 양이 적을 수밖에 없기 때문이다.
물론 현재 기포발광학의 권위자들은 상온핵융합의 가능성을 완전히 부정하고 있다.

그렇지만 기포발광 현상이 주목받는 이유는 인류가 얻을 수 있는 핵융합 때문이 아니다. 최고온도인 약 2억 K 정도를 기포발광 중심부에서 쉽게 얻을 수 있으리라는 예상과, 순간적으로 생기는 특이한 물리 환경이 많은 응용기술을 낳을 수 있기 때문이다. 즉 짧은 시간동안 물질을 합성하거나 분해하고, 나노크기 미세 형상을 만들 수 있기 때문이다.


뒷이야기

이런 연구에서 주의할 점은 보통 연구자료나 상식이 극단적인 상황에서는 무너질 수 있다는 점이다. 새로운 분야는 모든 사소한 자료부터 하나하나 확인해야 하는 어려움이다.. 우리나라에도 이 기포발광을 연구하시는 분이 계시다고 한다.
그러나 만약 우리나라에서 이런 현상을 처음 발견했다면 제대로 연구할 수 있었을까? 외국에서 인정해 줄 때까지 아무런 지원도 받지 못할 것이다. 우리나라는 실용적인 면만 고려해 지원하기 때문이다. 단지 재미있고, 실용적이지 않을 것 같은 주제는 지원을 너무 아낀다. 실제로 연구 지원을 관리하는 사람과 재미있기만 해 보이고 실용성이 없어 보이는 부분을 지원해야 하는지에 대해 심한 토론/말다툼을 한 적도 있다. -_- (물론 그 사람은 문과계열 전공자였다.)

※ 그리고 뭐라뭐라 해도 이런 것에 대해 지원해야 하는 진짜 중요한 이유는....
단순히 재미있다는 이유가 연구자의 의욕을 불러일으키기 때문이다.
참고 :
과학동아 2005년 03월호
포항대학교 물리학과 홈페이지