1960년대 탄자니아 10대 소년의 궁금증을 통해 발견된 '음펨바 효과(Mpemba effect)'는 뜨거운 액체가 차가운 액체보다 더 빠르게 얼어붙는 현상을 말한다. 추운 날 공기 중에 뜨거운 물을 뿌리면 즉시 눈이 만들어지는 것도 음펨바 효과로 설명된다. 게티이미지뱅크 제공


1960년대 탄자니아 10대 소년의 궁금증을 통해 발견된 '음펨바 효과(Mpemba effect)'는 뜨거운 액체가 차가운 액체보다 더 빠르게 얼어붙는 현상을 말한다. 자연 속 다양한 조건에서 나타나는 음펨바 효과를 한번에 설명하는 통합 이론이 제시되면서 기존 화학반응의 알라딘릴게임 효율이나 양자기술의 연산 속도를 높이는 데 음펨바 효과가 활용될 것으로 기대된다.
25일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'는 음펨바 효과의 최신 연구성과와 활용 방향을 조명했다.
존 굴드 영국 트리니티칼리지더블린 물리학과 교수팀은 일상의 물체부터 매우 작은 규모의 '양자 영역'까지 다양한 곳에서 나타나는 음펨바 효과를 손오공릴게임 통합적으로 설명할 수 있는 이론적 틀을 제시하고 연구결과를 25일(현지시간) 국제학술지 '피지컬 리뷰 X'에 공개했다.
그동안 과학자들은 고분자, 자석 등 다양한 물질에서 음펨바 효과를 발견했다. 고전역학으로 설명되는 일상 크기의 물체뿐 아니라 레이저로 공중에 띄운 이온 등 양자 영역에서도 음펨바 효과가 확인됐다.
골드몽 음펨바 효과의 수학적 설명은 어떤 시스템이 평형 상태에서 멀어질수록 목표 상태로 가는 경로가 다양해진다는 데서 출발한다. 시스템이 '지름길'을 따라 변화하면서 뜨거운 물질이 더 빨리 얼어붙거나 차가운 물질이 더 빨리 가열되는 등 인간의 직관과는 다른 양상을 보인다는 것이다.
  굴드 교수팀은 다양한 규모에서 나타나는 음펨바 효과를 한번에 황금성오락실 설명할 수 있는 이론적 틀을 제시했다. 비대칭성이나 불안정성을 일종의 '물리적 자원'으로 봤다. 자원이 더 많은 상태에서는 대칭이 복원되거나 안정적인 상태로 가는 '자원 소모' 경로 자체가 달라져 평형에서 멀지 않은 지점에서 출발할 때보다 자원을 더 빠르게 소모해 목표 상태에 먼저 도달할 수 있다는 것이다.
굴드 교수는 "음펨바 현상이 바다이야기온라인 매우 보편적인 현상이며 어디에나 존재한다는 것이 분명해졌다"며 "찾기 시작하면 발견할 것"이라고 밝혔다.
평형 상태로 가는 지름길이라는 특성을 활용해 음펨바 효과를 일으키는 초기 조건을 파악하면 냉각·가열을 포함한 수많은 물리화학 반응을 최적화할 수 있을 것이라는 분석이 나온다. 지금까지는 과학자들이 음펨바 현상의 원리 규명에 주력했지만 이제 응용할 차례라는 것이다.
원자현미경이나 세라믹 소재 생산 개선, 양자컴퓨터의 연산을 가속하는 데 음펨바 효과가 도움이 될 수 있다는 관점이 제시됐다. 음펨바 효과를 일으키는 특별한 초기 조건을 탐색하는 과정을 효율화하는 것이 숙제다.
<참고 자료> - doi.org/10.1088/0031-9120/4/3/312 - doi.org/10.1126/science.zl0pm9r - doi.org/10.1103/rbt4-psfd
[이병구 기자 2bottle9@donga.com]