07. 영하 몇 도씨가 최저일까?

<네모 속의 물리학>

절대영도

가장 추운 날의 온도는 몇 도까지 내려갈 수 있을까? 켈빈온도가 모든 것을 밝혀준다.

물리학자들이 원자들과 분자들의 에너지에 대해 더 깊이 이해하기 위해 노력하기 시작하면서 새로운 개념도 개발했다. 바로 절대영도(Absolute zero)다. 그들은 이 과정에서 과학적 측정에서 널리 이용되는 척도를 만들었다.

화씨와 섭씨는 한 가지 단점이 있다. 독일의 물리학자 파렌하이트가 자신의 척도를 고안했을 때 그가 연구실에서 소금, 얼음, 물을 혼합해 만들 수 있었던 가장 낮은 온도는 0°F였다. 하지만 온도는 그보다 훨씬 더 내려갈 수 있는데, 그래서 음의 값을 도입했다. 예를 들면, 겨울에 북극에서는 -40°C(–40°F)까지 내려간다.

하지만 이보다 더 차가운 온도도 가능하며, 이러한 사실이 새로운 척도를 내세우게 만드는 지점이다. 그것은 분자들의 평균운동에너지를 측정하며, 상상할 수 있는 최저온도는 분자들이 운동을 멈추었을 때 발생한다. 이 현상은 –459.67°F(–273.15°C)이며, 이것이 절대영도로 알려져 있다.

1848년 영국의 물리학자 켈빈 경[Lord Kelvin, 본명은 윌리엄 톰슨(William Thomson)]은 절대영도가 절대온도 눈금의 기준으로 이용될 수 있다고 주장했다. 오늘날 이 척도는 켈빈(K)이라는 단위로 정의되는데, 여기서 1K의 변화는 1°C(1.8°F)의 변화와 동일하다. 이 척도에 따르면 물의 어는점은 273.15K이다.

극저온에서는 공기 중의 기체도 액체 형태로 응결된다. 액화질소는 –195.8°C(–320°F/77K)가 끓는점이며, 용기에서 벗어나면 급격히 증발한다.

* 0.45×10-9K. 노벨물리학상 수상자인 볼프강 케털리(Wolfgang Ketterle, 1957~) 미국 MIT 물리학과 교수팀이 2003년 극저온원자센터(CUA)에서 달성한 온도다. 연구실에서 얻을 수 있는 가장 낮은 온도는 절대영도에 비해 약 20억분의 1도 높은 온도다.