인력의 척력으로의 전환

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물질의 표면 근처에 있는 전하가 표면 쪽으로 당겨진다는 것은 교과서에도 나오는 물리학이다. 하지만 만약 그 전하가 적당한 모양으로 펼쳐지고 충분히 빠르게 이동한다면, 그러한 인력은 척력이 된다고 한 물리학자가 계산했다. 이 기묘한 발견은 물리학자들이 전자와 같은 입자들로 이루어진 빔을 유도할 때의 예기치 못한 효과들을 피하는데 도움이 될 수 있을 것이다. “처음에는 이러한 결과가 완전히 잘못됐다고 생각했지만, 그 상황을 생각해보면 그렇지 않다”고 스위스연방공대(Swiss Federal Institute of Technology)의 물리학자 프리모즈 레베르닉 리비치(Primo? Rebernik Ribi?)는 말했다. 그는 이러한 자신의 계산 결과를 지난 10일 ‘Physical Review Letters’에 온라인 발표했다. 하지만 그의 해석이 옳다고 모두가 동의하는 것은 아니다.

단일 전자와 같은 ‘점전하(point charge)’가 도체 표면 위로 떠다닌다고 가정해보자. 그 전하로부터 나오는 전기장은 표면에서 자유로이 움직이고 있는 다른 전하들을 밀고 당긴다. 그래서 그러한 전하들은 점전하와 표면이 서로를 당기게 만드는 방식으로 자체적으로 재배열된다. 사실, 이 힘은 원래의 전하가 표면 위에 떠있는 것과 같은 정도로 표면 아래에 잠재되어 있는 반대 부호의 ‘영상전하(image charge)’에 의해 생기는 힘과 동일하며, 이것은 교과서에 나오는 예이다. 절연체에서는 약간 더 복잡하다. 물질 속의 양전하와 음전하들은 그 물질을 분극화시키기 위해서 자신의 위치를 약간만 이동시킬 수 있을 뿐이다. 그럼에도, 점전하는 자신을 표면으로 당기는 분극 패턴을 유도한다. 그러나 만약 점전하가 땅콩버터를 펴는 칼처럼 옆으로 움직이는 막대모양의 선전하(line of charges)로 대체된다면, 표면으로부터의 힘은 반발력이 될 수 있다고 레베르닉 리비치는 주장했다.

이러한 시나리오가 어떻게 일어나는지를 확인하기 위해서, 단 하나의 점전하가 절연체의 표면을 가로질러 움직이는 경우를 고려해보자. 이 경우에, 분극 패턴은 그 점전하와 함께 움직이면서, 여전히 그 점전하를 당기는 이른바 소멸파가 된다. 만일 점전하가 충분히 빠르게 움직인다면, 또 다른 요인이 작용한다. 유리와 같은 절연물질에서는 빛이 진공에서보다 더 느리게 진행한다. 그리고 만일 전하가 빛보다 더 빠르게 유리를 통과한다면, 초음속 제트기로부터 나오는 소닉붐과 비슷한 체렌코프 복사(Cherenkov radiation)라고 하는 빛의 충격파가 생긴다. 이제, 만일 절연체 위의 점전하가 빛이 물질 내부에서 가능한 것보다 더 빠르게 지나간다면, 유도된 분극패턴도 그만큼 빨리 이동하여 체렌코프 복사가 만들어질 것이다. 체렌코프 복사는 비스듬히 아래로 물질 속으로 흘러들어가며 운동량을 운반한다. 그러나 모든 작용은 동일한 크기의 반대방향의 반작용을 가진다는 뉴턴의 법칙에 의해서, 운동량의 하향 흐름은 점전하에 작용하는 상향의 미는 힘과 균형이 맞아야 한다.

움직이는 점전하에 대해서는, 소멸파의 인력이 항상 체렌코프 복사의 미는 힘을 압도한다고 레베르닉 리비치는 계산했다. 하지만 선전하가 표면을 가로지를 때에는, 그 선의 서로 다른 지점들에 의해 생긴 소멸파들이 서로 간섭하여 인력을 상쇄시킨다. 체렌코프 복사의 반발력은 없어지지 않았으므로, 선전하를 위쪽으로 미는 전체 힘은 남아 있다. 동일한 효과는 도체에 대해서도 마찬가지라고 레베르닉 리비치는 계산했다. 모두가 확신하는 것은 아니다. “선전하에 대한 나의 계산으로는 순 힘이 인력으로 유지되는 것으로 나타났다. 그래서 최종 계산 결과에서 레베르닉 리비치 박사가 틀렸다고 생각된다”고 테크니언-이스라엘공대(Technion-Israel Institute of Technology)의 물리학자인 레비 샤흐터(Levi Schachter)는 말했다. 하지만 코넬대의 가속기 물리학자인 게오르그 호프스태터(Georg Hoffstaetter)는 레베르닉 리비치의 주장이 그럴 듯하다고 말했다.

만약 이번 연구결과가 옳다면, 이 기괴한 반발력은 어디에 유용할까? 그것은 분명치 않다. 만일 연구자들이 고속으로 움직이는 전자 무리를 표면으로부터 튕기길 원한다면, 전자 무리의 모양을 형성시키는 것보다는 표면을 대전시키는 것이 훨씬 더 쉬울 것이다. 다른 한편, 이러한 쓸모없는 미는 힘이 발생할 수 있음을 안다는 것은 물리학자들이 대전 입자 빔을 다루는 기구를 설계할 때의 문제를 피하는데 도움이 될지도 모른다. 그리고 이 기묘한 효과는 뜻밖의 용도를 발견할 수도 있을 것이라고 호프스태터는 말했다. “가끔씩은 이와 같은 효과는 처음에는 성가신 존재로 나타나지만 사람들은 이러한 효과를 좋아하게 된다”고 그는 말했다.

* 그림 : 점전하는 아래에 있는 표면으로 항상 당겨지지만, 옆으로 움직이는 선전하는 반발될 수 있다고 한 물리학자가 계산했다.


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http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/12/turning-pull-into-push.html?ref=hp