아이스크림에서 영감을 받은 물리학: 팀이 '멋진' 의미를 지닌 양자 Mpemba 효과를 발견

트리니티 칼리지 더블린의 연구자들은 양자 시스템 내에서 역설적인 엠펨바 효과의 존재를 방금 설명했습니다. 처음에는 순수한 호기심으로 조사했지만, 이 발견은 2천 년 전 아리스토텔레스의 관찰과 현대의 이해 사이의 격차를 메우고, "멋진" -- 그리고 "냉각" -- 의미의 모든 것에 대한 문을 열었습니다.

Mpemba 효과는 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 얼어붙는 당혹스러운 현상으로 가장 잘 알려져 있습니다. 반직관적인 효과에 대한 관찰은 2,000년 전 아리스토텔레스로 거슬러 올라가는데, 그는 폰투스의 그리스인들이 낚시 관행에 이 효과를 이용하고 있다는 것을 알아챘습니다.

Mpemba 효과는 르네 데카르트와 프랜시스 베이컨과 같은 역사 전반에 걸쳐 다른 위대한 지성인들의 호기심을 불러일으켰습니다. 이 효과는 계속해서 수많은 신문 기사의 주제가 되고 있으며, 요리 경연 대회인 MasterChef와 같이 다양한 환경에서 호기심을 불러일으키는 초점으로 정기적으로 등장합니다. 참가자들은 디저트 챌린지에서 가능해 보이는 것보다 더 빨리 냉동 요리를 제공하기 위해 이 효과를 활용하려고 했습니다.

그리고 이제 우리는 이 이상한 효과가 우리가 이전에 예상했던 것보다 훨씬 더 널리 퍼져 있다고 말할 수 있습니다. 물리학과의 존 굴드 교수가 이끄는 트리니티 QuSys 팀이 방금 저널 Physical Review Letters에 흥미로운 연구 논문을 발표했기 때문입니다. 이 논문은 양자 물리학의 매우 다르고 극도로 복잡한 세계에서 이 효과를 이해하는 데 있어 획기적인 진전을 이뤘습니다.

Goold 교수는 "'Mpemba 효과'는 1963년 탄자니아에서 가정학 수업 시간에 아이스크림을 만들던 에라스토 Mpemba에서 이름을 따왔습니다. Mpemba는 뜨거운 아이스크림 혼합물이 식을 때까지 기다리지 않고 바로 냉장고에 넣었고, 놀랍게도 반 친구들의 차가운 샘플보다 먼저 얼어붙은 것을 보고 당황했습니다.

"그는 선생님에게 이 사실을 지적했고, 선생님은 그가 물리학을 모른다고 조롱했습니다. 예를 들어, 뉴턴의 냉각 법칙은 물체가 냉각되는 속도는 물체와 주변 환경의 온도 차이에 비례한다고 말합니다. 하지만 엠펨바는 다르에스살람 대학교의 방문 교수인 데니스 오소본을 설득하여 자신이 본 것을 시험해보게 했고, 두 사람은 실제로 이상한 효과를 입증하는 논문을 발표했습니다."

엠펨바 효과는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 거시적 규모에서 그 존재에 대한 논쟁이 뜨겁습니다. 그러나 물리학자들이 양자 역학 이론을 사용하여 자연을 설명하는 미시적 규모에서 그 효과는 훨씬 더 분명합니다.

양자 Mpemba 효과는 최근 트렌드 주제가 되었지만, 수많은 의문이 공중에 떠돌았습니다. 예를 들어, 양자 효과는 원래 효과와 어떻게 관련이 있을까요? 그리고 현상을 더 잘 이해하기 위해 열역학적 프레임워크를 구성할 수 있을까요?

QuSys 연구 그룹의 획기적인 발견은 몇몇 핵심 질문에 대한 해답을 제시했습니다.

Goold 교수는 "우리는 비평형 열역학과 양자 이론의 인터페이스에 대한 전문가이며, 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 적절한 툴박스를 보유하고 있습니다. 저희의 연구는 본질적으로 양자 시스템에서 Mpemba 효과를 생성하는 레시피를 제공하는데, 여기서 양자 시스템을 효과적으로 '가열'하는 물리적 변환을 수행할 수 있습니다. 그런 다음 양자 시스템의 이러한 변환은 역설적으로 양자 역학의 고유한 특징을 활용하여 지수적으로 더 빠르게 이완되거나 '냉각'될 수 있도록 합니다."라고 말했습니다.

연구팀은 비평형 양자 열역학 툴킷을 사용하여 2천 년 전 아리스토텔레스의 관찰과 양자 역학에 대한 현대적 이해 사이의 격차를 성공적으로 메웠습니다.

이제 많은 연구 및 응용 분야 관련 질문이 제기될 수 있게 되었습니다.

Goold 교수는 이렇게 덧붙였습니다. "처음에는 지적 호기심에서 이 프로젝트를 시작했지만, 냉각을 설명하는 열역학 법칙과 기본 수준에서 현실을 설명하는 양자 역학 간의 관계에 대한 몇 가지 근본적인 질문을 하게 되었습니다. 현재 문제에 대한 기하학적 접근 방식을 개발하고 있으며, 이를 통해 동일한 수학적 프레임워크에서 다양한 유형의 Mpemba 효과를 이해할 수 있기를 바랍니다.

"이 정말 '멋진' Mpemba 효과에서 실제로 볼 수 있는 것은 냉각을 가속화하는 방법입니다. 양자 시스템의 냉각은 양자 기술 응용 분야에 절대적으로 중요합니다. 이를 염두에 두고, 이 근본적인 효과를 조사하기 위해 개발 중인 도구 중 일부는 열 흐름과 같은 것을 이해하고 미래 기술에서 소실을 최소화하는 방법에 매우 중요할 것이라고 확신합니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241008122544.htm