모노폴
Monopole
1. 개요
보통 자기 홀극(Magnetic Monopole)을 가리키는 말이며 자기 단극자라고도 한다. 자기 홀극은 하나의 자기장만을 가지는 자성물질이며 단일 N극, 혹은 단일 S극을 가진다. 참고로 단극이 아닌 경우, 2의 제곱으로 양이 증가한다. 쌍극자(Dipole), 사중극자(Quadrupole), 팔중극자(Octupole)...
고전 전자기학에서 자기 홀극은 존재할 수 없는 것으로 간주된다. 4개의 맥스웰 방정식 중 하나에서 자기장에 대한 폐곡면 적분이 0, 혹은 자기장에 대한 다이버전스가 0이라고 명시되어 있다.
$$ \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 $$
$$\displaystyle \oiint_{\partial V} \mathbf{B} \boldsymbol{\cdot} d\mathbf{a} =0$$
그러다가 1931년, 영국의 물리학자 폴 디랙이 그의 논문에서 자기 홀극의 존재를 예측한 이래 이를 관측하기 위한 노력이 계속되었다.
2. 설명
보통의 자성물질, 즉 자석은 N극과 S극을 동시에 가진다. 중간을 정확히 반토막을 내도 작은 자석 2개가 탄생할 뿐 단일 극성을 가지는 모노폴이 되지는 못한다. 하지만 모노폴은 처음부터 N극, 혹은 S극만을 가지고 있다.
일부 사람들의 오해와는 달리 모노폴은 SF소설에서 상상된 설정이나 유사과학이 아니다. 논란의 여지는 있으나 양자역학 등 물리학적, 수학적인 배경 이론이 있으며 실제로 많은 과학자들이 지금까지 찾고 있는 물질이다. 덕분에 매년 과학 공부정보를 공유하는 커뮤니티에서 만우절 장난 소잿거리로 쓰인다.(자기 홀극을 찾아냈다는 식으로...[1])
여러모로 SF덕후들의 꿈과 로망의 물질이기도 하다. 질량에 대해서는 여러 추측이 난무하고 있으며 우주론적 계산에 따르면 1017 GeV보다는 가볍다는 것이 알려져 있다. 그리고 LHC 자료에 따르면 질량이 1500 GeV 이상이라는 것 같다.[2] 매우 무거운 물질일 가능성이 있다.
모노폴은 현실에는 존재하지 않기 때문에(또는 아직까지 발견되지 않았기 때문에), 모노폴이 필요한 상황(자기부상열차, 입자가속기 등)에는 할바흐 어레이(Halbach array)라는 자석 복합체를 이용한다. 할바흐 어레이는 여러 개의 자석을 특정한 순서와 방향으로 배열하여 한쪽 극의 자장은 극대화시키고 반대쪽 극의 자장은 극소화시키는 것으로, 만들기도 쉽고 무엇보다도 실제로 존재한다는 점에서 모노폴보다 우월하다.
3. 만드는 법
최선의 경우에는 의외로 생산도 가능하다! 생산하는 방법은 다음과 같다.
- 입자 가속기를 건설한다.
- 입자 가속기를 마구 돌려 입자를 생성한다.
- 모노폴인지 확인한다.
- 모노폴이 발견되지 않으면 1 으로 돌아가 더 큰 에너지의 가속기를 건설한다.
4. 실험
현재까지 자기홀극을 발견하는 데 성공한 실험은 없다. 1982년, 스탠퍼드 대학교의 연구팀이 자기홀극과 유사한 것으로 보이는 데이터를 기록한 바 있다. 2009년에도 자기홀극과 '''비슷한''' 현상에 대한 실험결과가 발표되었지만, 상술한 자기홀극과 같은 것은 아니다. 이후 2014년, '보스-아인슈타인 응축'을 이용하여 모사된 자기홀극을 생성, 관측하는 논문이 발표되었다.링크
다만 위상부도체에서는 실제 자기홀극은 아니지만 이와 비슷한 효과를 얻을 수는 있다. 문서 참조.
5. 용도
이렇게나 귀중한 모노폴이지만 어째선지 SF작품에서는 희소성 있는 엔진재료 정도로 취급받는다
오해와는 달리 '''영구기관'''은 만들 수 없다. 이미 물리학 이론에서 예견된 물질이기 때문에, 물리학에서 기초적인 사실로 삼고있는 법칙들 중 하나인(즉, 모든 이론들은 법칙들을 참이라고 가정하고 세워지기 때문에) 열역학 법칙을 벗어날 수 없기 때문이다. 고로 열역학 법칙에 의해 부정되는 영구기관은 열역학 법칙 안에서 세워진 모노폴로는 만들 수 없다.
6. 발견한다면?
전하의 자기 버전인 자하의 존재가 증명이되는 거니 엄청난 발견이긴 할것이다. 맥스웰 방정식과 로렌트 힘 공식도 수정이 되어야 한다. $$q_e$$, $$\rho_e$$와 $$\mathbf{J}_e$$는 우리가 흔히 아는 전하, 전하 밀도와 전류 밀도이고, $$q_m$$, $$\rho_m$$와 $$\mathbf{J}_m$$는 새로운 물리량인 자하, 자하 밀도와 자류 밀도이다. 전하가 +극과 –극 따로 존재하듯이, 자하는 N극과 S극이 독립적으로 존재 한다고 생각하면 된다. 참고로 전하의 SI 단위는 A·s 인데, 자하의 SI 단위는 A·m 다. 아래에 나오는 방정식들은 이 SI 단위계로 서술한다. 모노폴이 존재하지 않는다면 모든 자하와 자류가 0이니 익숙한 법칙들이 된다.
6.1. 로렌츠 힘
[math(\displaystyle \begin{aligned} \begin{aligned}
\mathbf{F} = q_e(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) + q_m(\mathbf{B} - \mathbf{v} \times \frac{\mathbf{E}}{c^2})
\end{aligned} \end{aligned} )]
\mathbf{F} = q_e(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) + q_m(\mathbf{B} - \mathbf{v} \times \frac{\mathbf{E}}{c^2})
\end{aligned} \end{aligned} )]
[1] 이 외에도 과학 커뮤니티에서 만우절 장난의 대표적인 소잿거리는 중력자, 에테르 등. 혹은 공부를 하면서 자기를 괴롭혔던 갖가지 오개념을 만우절 유머로 승화시킨다.[2] 여기서 정지질량 1017GeV는 어디까지나 "상한선"일 뿐, 진짜로 저 정도 질량을 가진 소립자가 있다고 생각하면 곤란하다. 비유하자면 몸무게를 묻는 질문에 "1톤보단 가벼워요"라고 답한 거나 마찬가지. 하지만 1500GeV라고 해도 현재까지 발견된 가장 무거운 소립자인 탑쿼크보다 약 8.5배나 무겁다. 참고로 탑쿼크의 질량은, 거의 금 원자의 원자핵 수준이다.[3] 공학자들과 다르게 물리학자들은 '가능하다'라는 말을 '물리법칙에 위배되지 않는다'는 의미로 쓰는 경향이 있다. 예를 들어 목성만한 질량의 순금 덩어리를 만들 수 있냐는 질문에 공학자는 아니라고 대답할 것이고 물리학자는 가능하다고 대답할 것이다. 물리학적으로 불가능하다는 말은 순도 99.99%의 100kg짜리 우라늄 235 구를 만드는 것에 비유할 수 있다. 대강 생각하면 좀 어려워도 가능해보이지만, 사실 임계질량이 초과하는 무게가 되어서 핵분열을 일으키기 때문에 불가능하다.
6.2. 맥스웰 방정식
6.2.1. 적분형
[math(\displaystyle \begin{aligned} \oiint_{\partial V} \mathbf{E} \cdot \text{d} \mathbf{A}&=\frac{1}{\varepsilon_{0}} \int_{V} \, \rho_{e} \, \text{d}V\\
\oiint_{\partial V} \mathbf{B} \cdot \text{d}\mathbf{A}&=\mu_0 \int_{V} \, \rho_{m} \, \text{d}V\\
\oint_{\partial S} \mathbf{E} \cdot \text{d} \mathbf{l}&=- \frac{\text{d}}{\text{d}t}\int_{S} \mathbf{B} \cdot \text{d} \mathbf{A}- \mu_0 \int_S \mathbf{J_m} \cdot \text{d}\mathbf{A}\\
\oint_{\partial S} \mathbf{B} \cdot \text{d} \mathbf{l}&=\mu_{0}\varepsilon_{0}\frac{\text{d}}{\text{d}t}\int_{S} \mathbf{E} \cdot \text{d} \mathbf{A}+\mu_{0} \int_S \mathbf{J_e} \cdot \text{d}\mathbf{A}
\end{aligned} )]
\oiint_{\partial V} \mathbf{B} \cdot \text{d}\mathbf{A}&=\mu_0 \int_{V} \, \rho_{m} \, \text{d}V\\
\oint_{\partial S} \mathbf{E} \cdot \text{d} \mathbf{l}&=- \frac{\text{d}}{\text{d}t}\int_{S} \mathbf{B} \cdot \text{d} \mathbf{A}- \mu_0 \int_S \mathbf{J_m} \cdot \text{d}\mathbf{A}\\
\oint_{\partial S} \mathbf{B} \cdot \text{d} \mathbf{l}&=\mu_{0}\varepsilon_{0}\frac{\text{d}}{\text{d}t}\int_{S} \mathbf{E} \cdot \text{d} \mathbf{A}+\mu_{0} \int_S \mathbf{J_e} \cdot \text{d}\mathbf{A}
\end{aligned} )]
6.2.2. 미분형
[math(\displaystyle \begin{aligned} \begin{aligned}
\boldsymbol{\nabla}\cdot \mathbf{E}&=\frac{\rho_e}{\varepsilon_{0}} \\
\boldsymbol{\nabla}\cdot \mathbf{B}&=\mu_0 \rho_m \\
\boldsymbol{\nabla}\times \mathbf{E}&=-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}-\mu_{0} \mathbf{J_m}\\
\boldsymbol{\nabla} \times \mathbf{B}&=\mu_{0}\varepsilon_{0}\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}+\mu_{0} \mathbf{J_e} \\
\end{aligned} \end{aligned} )]
\boldsymbol{\nabla}\cdot \mathbf{E}&=\frac{\rho_e}{\varepsilon_{0}} \\
\boldsymbol{\nabla}\cdot \mathbf{B}&=\mu_0 \rho_m \\
\boldsymbol{\nabla}\times \mathbf{E}&=-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}-\mu_{0} \mathbf{J_m}\\
\boldsymbol{\nabla} \times \mathbf{B}&=\mu_{0}\varepsilon_{0}\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}+\mu_{0} \mathbf{J_e} \\
\end{aligned} \end{aligned} )]
7. 등장하는 작품
- 9S - 나루카미노미코토 - 주인공 사카가미 토마의 검. 귀하디귀한 모노폴을 칼에 박아넣는 막되먹은 짓을 했다. 게다가 모노폴의 전자파가 주인공의 인격에 영향을 미쳐 이중인격의 전환 스위치가 된다거나, 벤 물질을 양자분해시킨다거나 실은 암살도구가 아니라는 등의 묘한 떡밥만 던져주고 있다.
- 기동전사 건담 디 오리진 - 마그넷 코팅
- Robotics;Notes - 애니의 로봇 엔진으로서 나온다.
- Q.E.D. 증명종료 - 진짜 모노폴이 나오는 게 아니라, 평범한 광석을 조작된 나침반으로 '모노폴'로 착각하게 만드는 에피소드가 있다.
- 빅뱅이론 - 쉘든이 모노폴을 찾기 위해 친구들과 북극탐사를 다녀왔으나 조작된 관측값을 발표하는 바람에 웃음거리가 되어버렸다.
- [4]
- 시드 마이어의 알파 센타우리 - 기술중에 '단극 자석'이 있다.
- 문명: 비욘드 어스 - 순수의 주력 자원인 부양석이 설정상 이것.
- 드래곤스 에그(Dragon's Egg), 스타퀘이크(Starquake): 모노폴을 핵융합로에 사용하거나, 자기홀극을 이용해 축퇴물질을 제어하는 대목이 있다.
[4] 224화에 N극 자석으로 S극 자석을 찾으라는 미션이 나왔다. 당연히 N극 자석이란 게 실제 모노폴일 리가 없고, 작가의 과학적 무지 아니면 대중에게 쉽게 보이기 위한 소재.