폴 디랙에 의해 이론적으로 예측, 1936년 최초 발견
아인슈타인의 상대성 이론을 양자역학에 적용시키면서 등장

출처: 영화 - 천사와 악마(2009)

[문화뉴스 MHN 권성준기자] 한때 1g당 가격을 비교했을 때 세상에서 가장 비싼 물질이 화제가 된 적이 있다. 그중 1위는 1g당 7경 2000조원인 반물질이 차지했다. 영화 '천사와 악마(2009)'에서도 등장하며 강력한 에너지원으로 소개되며 작중에서 폭탄과 같이 묘사되는 반물질은 과연 무엇일까?

출처: Nobelprize, 폴 디랙

맨 처음 반물질의 존재를 언급한 사람은 이론 물리학자 폴 디랙(Paul Dirac, 1902~1984)이다.

1928년 디랙은 아인슈타인의 특수 상대성 이론으로 구한 상대론적 에너지 공식을 양자역학의 원리들을 이용해 표현하였고 그 방정식은 디랙의 이름을 따 '디랙 방정식'이라고 부른다.

문제는 아인슈타인이 상대론적 에너지 공식을 에너지의 제곱으로 식을 나타내었고 이로 인해 양의 에너지와 음의 에너지를 가지는 방정식이 나오게 되었다.

디랙은 이 음에너지를 가지는 방정식의 해로 기술되는 전자들은 마치 바다와 같이 공간을 가득 채우고 있으며 여기에 에너지를 가하면 전자가 하나 탈출하게 되면 그때 남은 구멍이 +의 전하량을 가지는 전자와 같이 보인다고 설명하였다. 이 바다에는 '디랙의 바다'라는 이름이 붙었으며 구멍은 반입자라 불린다. 전자의 반입자만이 양전자라는 특별한 이름을 가지고 있다.

출처: CERN

디랙 방정식은 모든 입자를 기술하는 방정식이다. 따라서 모든 입자는 자신의 반입자를 가지게 되는데 이 반입자들은 일반 입자와 비교해 질량, 스핀과 같은 모든 물리량들이 동일하고 오직 전하량만이 정반대인 입자들이다.

입자와 해당 입자의 반입자가 충돌하면, 즉 입자와 그 구멍이 만나 합쳐지면 우리에겐 입자들이 사라지는 것으로 보이게 되며 이를 쌍소멸이라 부른다. 이 과정에서 막대한 양의 에너지를 내뿜게 된다.

이때의 에너지는 입자의 질량이 아인슈타인의 질량-에너지 동등성에 따라 그대로 모든 에너지로 전환이 되며 이런 식으로 1g의 반물질이 물질과 만나 사라지면 TNT 43000톤의 위력을 가진다.

최근 물리학에서는 반물질을 디랙의 바다로 설명하지는 않는다. 미국의 유명한 물리학자 리처드 파인만(Rochard Feynman, 1918~1988)은 반입자를 시간을 거슬러 올라가는 입자로 설명하며 이러한 기술은 양자장론에서 반입자를 표현할 때 자주 쓰인다.

출처: Nobelprize, 칼 앤더슨

반물질을 처음 발견한 사람은 1932년 양전자를 발견한 미국의 물리학자 칼 앤더슨(Carl Anderson, 1905~1991)이다.

앤더슨은 우주에서 지구로 쏟아지는 높은 에너지의 입자들인 우주선을 연구하면서 양전자를 발견하였으며 1년 뒤 1933년에는 감마선을 이용해 양전자를 생성하는데 성공했다.

앤더슨은 이러한 공로를 인정받아 1936년 노벨 물리학상을 수상하였다.

출처: Nobelprize
에밀리오 세그레, 오웬 체임벌린

그다음으로는 1955년 입자가속기 베바트론을 이용해 반양성자를 발견한 물리학자 에밀리오 세그레(Emilio Segre, 1905~1989)와 오웬 체임벌린(Owen Chamberlain, 1920~2006)이다.

이들도 반양성자의 존재를 증명한 업적으로 1959년 노벨 물리학상을 수상하게 된다.

한편 반물질은 일반적인 입자와 부딪히면 사라지므로 수명이 매우 짧으며 생성하는데도 높은 비용이 들어가 아직까지 유의미한 물질로 사용되기엔 부족하다.

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[MHN 과학] 금보다 1조 2천억배 비싼 물질?, 1936, 1959 노벨 물리학상: 반물질

폴 디랙에 의해 이론적으로 예측, 1936년 최초 발견
아인슈타인의 상대성 이론을 양자역학에 적용시키면서 등장

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