해리포터의 ‘투명망토’는 가능한가?
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해리포터의 ‘투명망토’는 가능한가?
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가능하다 해도 자신이 안보이면 자신도 다른 것 보지 못해

 
   
  ▲ 이미지 : iStockphoto
ⓒ 뉴스타운
 
 

“피핑 톰(Peeping Tom)이나 조안 롤링(해리포터 작가) 팬이 꿈꾸는 투명망토는 가능한가?”

위의 말은 미국의 에이비시(ABC)방송 23일자 과학관련 기사 제목이다. 

결론부터 말하자면 이론상으로는 가능하지만 실제로는 가시광선 하에 투명 망토를 구현하기는 어렵다. 더구나 남이 보지 못하는 것처럼 자기도 보지 못하게 된다.

투명 망토, 혹은 불가시(invisibility)란 본인 자신이 보이지 않는 것은 물론이고 그곳에 아무 것도 없는 것처럼 본인 뒤의 물체도 투명하게 보여야 한다는 것을 의미한다. 거울과 카메라를 이용한 환영 정도가 고작이라 보다 교묘하고 휴대 가능한 불가시 장비가 아니었다.

그러나 2006년 변화가 생겼다. 물리학자들이 금속실린더를 메타물질로 둘러싸자 사라지게 되는 것을 보고 놀란 것. 하지만 당시 세간이 떠들썩했지만 최초의 투명 망토는 기대에 못 미치는 것이었다. 왜냐하면 실린더를 사라지게 한 것은 가시광선 하에서는 안 되고 전자파 상태에서 그랬기 때문이다. 게다가 실린더 주위에 약간의 음영도 생겼기 때문에 안 보인다고는 하지만 무언가 수상한 것이 있다고 짐작할 수는 있었다.

빛을 '인도'하는 메타물질 :

실제로 투명 망토와 같은 장비를 만드는 것은 매우 복잡한 것이지만, 그 아이디어는 매우 간단하다. 단지 빛을 당신이 숨기고자 하는 물체 주위를 휘어 돌아가게 만들면 된다. 빛이 물체에 도달하지 못한다는 것은 보지 못한다는 것을 의미하는 것이기 때문이다.

빛을 휘게 하는 것은 새로울 것이 없다. 빛이 공기 중에서 물로 들어갈 때 휘며, 그 이유는 공기보다 물에서 빛의 속도가 느려지기 때문이다. 그러나 빛이 숨기고자 하는 물체 주위를 돌아가게 만들고, 그러면서도 같은 광원에서 출발한 빛과 다시 일치되는 것은 어렵다. 그런데 이 메타물질은 이 두 가지를 모두 수행한다.

메타물질은 많은 수의 작은 금속 막대와 고리로 만들어 지는데 이들이 빛을 받아들이고 내보내는 작은 안테나와 송신기 역할을 한다. 고리의 크기와 고리 간의 간격은 빛이 얼마나 큰 각도로 구부러져 돌아가는지를 결정한다. 물론 그 크기와 간격은 비밀이다.

메타물질을 지나가는 빛은 휘기는 하지만 (물속에서처럼 속도가 느려지기 때문에 휘는 것이 아니라) 금속 고리를 통화하면서 더 빨라진다. 따라서 메타물질을 통과하면서도 마치 아무 것도 거치지 않고 직선으로 통과하는 것처럼 보이게 되므로 불가시성이 실현되는 것이다.

메타물질이 발명되기 전에는 진공을 제외하면 공기 중에서 빛의 속도가 가장 빨랐다. 따라서 빛이 어떤 매질 속을 지나면서 바깥쪽으로 휘는 일이 없었다. (물속에서는 빛이 안쪽으로 휘기 때문에 더 얕아 보이는 것이다.) 기술적으로 말하자면 모든 물체의 굴절률은 1보다 큰데 반하여 메타물질의 굴절률은 1보다 작다.

한편 메타물질 내부에서 빛이 빨라지는 것은 단지 빛을 휘게 하는 것뿐 아니라 우리가 메타물질 뒤에 있는 물체까지 다른 빛과 일치를 이룬다는 것을 의미한다. 기술적으로 싱크(synch)된다고 하는데, 결국 메타물질로 싸인 부분은 아무 것도 없는 것처럼 투명하게 보인다는 것을 의미하게 되는 것이다.

문제는 이렇게 되려면 메타물질 내부의 금속 링과 막대가 빛의 파장보다 작아야 한다는 것이다. 대략 빛의 파장의 4분의 1 정도라야 한다. 이보다 커지면 빛이 산란되므로 투명 망토는커녕 보통의 '담요'가 될 뿐이다.

숫자로 표시하면 파장은 백만분의 일 미터 정도이고 금속 막대와 고리의 크기는 최대 100 나토미터라야 한다는 것이다. 이것이 아직까지는 투명 망토가 전자파(빛보다는 파장이 상대적으로 매우 긴) 영역에서만 가능해 왔던 이유이다.

그리고 하나 더 :

그리고 모든 것이 잘 만들어져도 여전히 투명 망토에는 문제가 남아 있다. 빛이 금속에 부딪히면 약간의 에너지를 잃게 되기 때문이다. 금속에는 자유 전자라고 불리는 느슨하게 결합된 전자들이 있는데, 이들이 빛의 입자인 광자와 충돌하면서 그렇게 되는 것이다. 그렇게 되면 투명 망토 부위는 주변처럼 똑같이 밝을 수는 없고 약간의 음영이 느껴질 것이다.

피핑 톰은 투명 망토 메타물질의 금속 고리와 막대 때문에 피부가 긇히게 될 것이다. 더구나 자기가 안 보이는 것처럼 자기도 아무것도 보지 못할 것이다.

 

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