역대 최저 온도 10피코켈빈, 우주정거장 기록

역대 최저 온도 기록은 얼마인가요?

보고된 역대 최저 온도는 등가 온도 9.7피코켈빈으로, 중국 우주정거장에서 달성되어 2026년 11월 5일 학술지 Science에 발표되었습니다 ^[1][2]. 1피코켈빈은 1켈빈의 1조 분의 1이므로, 원자는 절대영도보다 1조 분의 10도도 채 높지 않은 상태였습니다 ^[2].

"Quantum gases below 10 picokelvin in space"라는 제목의 연구 논문은 2.0 × 10^4, 즉 20,000개의 원자로 이루어진 보스-아인슈타인 응축체(BEC)가 7.0초의 자유 팽창 시간 동안 해당 등가 온도에 도달했다고 보고합니다 ^[1]. 연구진은 루비듐 원자를 사용했습니다 ^[2][3].

Science의 뉴스 보도에 따르면 이번 결과로 역대 최저 온도가 4배 낮아졌습니다 ^[2]. 2021년 이전 기록을 세운 팀을 이끈 하노버 라이프니츠 대학교의 양자 물리학자 에른스트 라셀(Ernst Rasel)은 Science에 "과학자들에게 축하를 전합니다. 매우 인상적입니다"라고 말했습니다 ^[2].

많은 헤드라인이 이 수치를 10피코켈빈으로 반올림합니다. 두 수치 모두 보도에 등장합니다. 논문은 10pK 미만이라고 보고하고, Science의 기자는 최종 원자 속도가 약 10pK에 해당한다고 설명합니다 ^[1][2].

10피코켈빈은 우주와 비교하면 얼마나 차가운가요?

천문학자들이 알고 있는 자연의 어떤 것보다 훨씬 차갑습니다. 우주 공간은 우주 마이크로파 배경 복사로 채워져 있으며, NASA는 이를 약 2.725켈빈으로 측정합니다 ^[5]. 2.725K를 9.7pK로 나누면 우주의 배경 복사는 톈궁의 원자보다 대략 2,800억 배 따뜻한 셈입니다.

절대영도인 0켈빈은 섭씨 영하 273.15도, 화씨 영하 459.67도입니다 ^[4]. 이 눈금으로는 새 기록과 절대영도를 구분할 수 없기 때문에, 물리학자들은 켈빈과 그 작은 하위 단위를 사용합니다.

• 나노켈빈(nK): 1켈빈의 10억 분의 1입니다. 초기 BEC 실험은 약 100nK에 도달했습니다 ^[2].
• 피코켈빈(pK): 1켈빈의 1조 분의 1입니다. 우주 실험은 이제 이 범위에 들어섰습니다 ^[1][2].

정확히 0에 도달하는 것은 불가능하다고 여겨집니다. Live Science와 인터뷰한 물리학자 사이발 미트라(Saibal Mitra)는 열역학 제3법칙의 한 형태가 절대영도에 도달하려면 무한한 단계가 필요하다고 말한다고 설명했습니다 ^[4].

과학자들은 어떻게 10피코켈빈에 도달했나요?

미세중력 환경에서 레이저로 루비듐 원자를 가둔 뒤, 가장 뜨거운 원자를 빠져나가게 하고, 나머지를 천천히 퍼지게 했습니다 ^[2][3]. Science의 설명에 따르면 단계는 다음과 같았습니다 ^[2].

1. 포획: 두 개의 강한 레이저 빔이 교차하는 지점에 형성된 폭 54마이크로미터의 안쪽 광학 트랩에 루비듐 원자 약 200만 개를 가뒀습니다. 레이저 출력은 5와트였습니다.
2. 증발: 출력을 0.2밀리와트까지 서서히 낮춰 에너지가 높은 원자들이 빠져나가게 했습니다. 남은 20,000개의 원자는 3nK까지 냉각되었습니다.
3. 팽창: 원자를 폭 124마이크로미터의 더 넓은 트랩으로 퍼지게 해 원자 간 상호작용의 세기를 줄였습니다. 최종적으로 원자는 초속 100마이크로미터 미만으로 움직였습니다.

"원자 수는 그대로 유지합니다. 바뀌는 것은 상호작용 에너지뿐입니다"라고 이 장치의 수석 과학자인 베이징 대학교의 천쉬쭝(Xuzong Chen)이 말했습니다 ^[2]. 상하이 광학정밀기계연구소는 광학 트랩에서의 증발 냉각이 미세중력에서는 효율이 떨어지기 때문에 연구진이 추가 자기 기울기를 이용해 응축체 생성을 도왔다고 덧붙였습니다 ^[3].

이 장치는 2022년에 발사된 우주정거장 멍톈 실험 모듈에 설치된 냉원자 물리 랙(Cold Atom Physics Rack)입니다 ^[2][3]. 연구소는 개발진이 약 20세제곱미터에 10톤에 달하던 지상 시스템을 약 0.7세제곱미터에 반 톤 정도인 비행용 장비로 줄였다고 밝혔습니다 ^[3].

9.7피코켈빈은 실제 온도인가요?

온도계로 읽은 값이 아니라 원자가 얼마나 느리게 움직이는지를 나타내는 등가 온도입니다 ^[3]. 상하이 연구소는 9.7pK라는 수치가 "원자의 극도로 느린 팽창을 특징짓는" 값일 뿐, 장비나 주변 환경이 같은 온도에 도달했다는 뜻이 아니라고 밝혔습니다 ^[3].

연구 논문 자체도 "등가 온도(equivalent temperature)"라는 표현을 사용합니다 ^[1]. 과학자들은 풀려난 원자 구름이 퍼지는 속도로 이를 추정하며, 퍼지는 속도가 느릴수록 에너지가 낮습니다 ^[2][3]. Science는 최종 속도를 초속 100마이크로미터 미만이라고 전합니다 ^[2]. 이 논문을 다룬 Phys.org 보도는 9.7pK 값 주위로 7.0~12.9pK의 불확실성 범위를 제시합니다 ^[7].

기록을 비교할 때 이 구분이 중요합니다. 이전 기록인 38pK와 NASA의 52pK 역시 구름이 팽창하는 속도로 추정한 유효 온도이므로, 실험 방식은 다르지만 같은 종류의 양끼리 비교하는 것입니다 ^[2][6][7]. 냉장고, 행성, 심우주의 온도와 비교하는 것은 규모를 가늠하는 데는 유용하지만 정밀한 물리학은 아닙니다.

기록은 왜 지상이 아닌 우주에서 세워졌나요?

중력은 초저온 원자를 아래로 끌어당기기 때문에 과학자들은 더 강한 트랩으로 원자를 붙잡아야 하고, 그 결과 원자의 온도가 높아집니다 ^[2][3]. Science는 중력이 원자를 이를 떠받치는 장에 밀어붙여 온도를 높인다고 설명합니다 ^[2]. 궤도에서는 트랩을 훨씬 약하게 만들 수 있고 원자를 더 오래 관측할 수 있습니다 ^[3].

2001년 노벨상 수상자인 MIT 물리학자 볼프강 케털레(Wolfgang Ketterle)는 7초간의 관측이 갖는 의미를 이렇게 설명했습니다. "지상에서라면 약 250미터 떨어지기 때문에, 높이 250미터의 진공 챔버가 없다면 땅바닥에 부딪히고 말 것입니다" ^[3].

중력에서 벗어나려는 이전 시도에는 원자 칩을 낙하탑에서 떨어뜨리거나 준궤도 로켓에 실어 날리는 방법이 있었습니다 ^[2]. NASA는 2018년에 냉원자 연구실을 국제우주정거장으로 발사했고 ^[2], 정거장에서 만든 보스-아인슈타인 응축체는 2022년 Nature Communications에 보고된 52pK까지 낮은 유효 온도를 기록했습니다 ^[6]. 자유 팽창 시간 2초에 38pK를 기록한 이전 기록은 미세중력 환경의 원자 칩 자기 트랩 실험에서 나왔으며 ^[1], Science News는 이를 2021년에 발표된 낙하탑 실험으로 설명합니다 ^[6].

중국의 장치는 자기 트랩이 아닌 레이저 빛으로 만든 광학 트랩을 사용한다는 점이 다릅니다 ^[1][2]. 논문은 광학 트랩이 미세중력에서 이런 양자 기체를 만드는 데 사용된 적이 없었다고 밝힙니다 ^[1].

보스-아인슈타인 응축체란 무엇인가요?

보스-아인슈타인 응축체는 매우 차가운 원자들이 하나의 양자 파동으로 모여 집단적으로 행동하는 물질 상태입니다 ^[2][3]. Science는 이를 레이저 빔 속의 광자에 비유하며, BEC 속 원자는 저항 없이 흐르고 간섭 무늬를 만들 수 있다고 설명합니다 ^[2].

사티엔드라 나트 보스(Satyendra Nath Bose)와 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 1924년에 응축체를 예측했고, 1995년에 두 팀이 처음으로 만들어냈습니다. 한 팀은 루비듐-87을, 다른 팀은 나트륨-23을 사용했으며, 이 연구는 2001년 노벨 물리학상을 받았습니다 ^[2]. Live Science는 이 응축체가 하나의 원자처럼 행동한다고 설명합니다 ^[4].

그 효과가 개별 원자보다 훨씬 큰 규모에서 관찰되기 때문에, BEC를 통해 연구자들은 양자 행동을 직접 연구할 수 있습니다 ^[3]. 관련 개념의 입문 설명은 Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not를 참고하세요. 이번 주의 다른 우주과학 소식은 Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows를 참고하세요.

우주의 초저온 원자는 어디에 쓰일 수 있나요?

주로 정밀 측정과 양자 시뮬레이션에 쓰일 수 있으며, 연구진과 독립 전문가들은 이를 향후 연구 방향으로 설명합니다 ^[2][3].

• 중력 시험: Science에 따르면 긴 팽창 시간은 일반 상대성이론이 가정하듯 중력이 모든 종류의 원자를 똑같이 끌어당기는지 시험할 수 있는 간섭 실험에 이상적입니다 ^[2]. UC 버클리의 홀거 뮐러(Holger Mueller)는 "7초는 10피코켈빈보다 훨씬 더 중요한 성능 지표입니다"라고 말했습니다 ^[2].
• 원자 간섭계: 라셀은 상하이 연구소에 원자 간섭계의 감도가 원자가 장치 안에서 보내는 시간의 제곱에 비례해 높아지며, 이런 도구가 지구 중력장 측정과 암흑물질 모형 검증에 도움이 될 수 있다고 말했습니다 ^[3].
• 양자 시뮬레이션: 연구팀은 결정을 모방하는 레이저 점의 격자인 광학 격자를 이용해 고온 초전도와 관련된 효과를 시뮬레이션할 계획입니다 ^[2][3].
• 혼합 원자: 소르본 파리 북부 대학교의 엘렌 페랭(Hélène Perrin)은 광학 트랩이 서로 다른 내부 상태의 원자를 동시에 붙잡을 수 있다고 지적했습니다 ^[2].

상하이 연구소의 천웨이뱌오(Weibiao Chen)는 Science에 이 랙이 "국제 사회에 열려 있다"고 말했습니다 ^[2]. 이 중 어떤 응용도 아직 이 장치로 입증되지는 않았습니다.