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  영점 에너지(ZPE), 푸토프와 가드너 논쟁
  글쓴이 : kopsa     날짜 : 00-01-12 17:32     조회 : 7628    
영점 에너지(ZPE), 푸토프와 가드너 논쟁

  영구운동장치와 기타 공짜 에너지 장치는 열역학 법칙을 위반하지만 아
직도 끊임없이 주장되고 있다. 이것보다는 진공 중에, 우주의 공간에 에너
지가 존재하는지, 있다면 뽑아 내어 에너지원으로 쓸 수 있는지에 관한 문
제가 좀 더 과학적인 논쟁일 수 있다. 이것이 영점 에너지(zero-point
energy) 논쟁이다. 

1. 푸토프 연구에 대한 가드너 비평

  영점 에너지는 존재하는 것일까? 물질의 온도를 절대 0도로 낮춘다고
하자. 이때 원자와 그 안 전자의 운동은 정지상태일 것인가? 그렇게 된다
면 물질은 붕괴될 것이지만 실제로 그런 일은 일어나지 않는다. 절대 0도
에서조차 물질의 모든 입자는 진동하고 있음이 증명되었다. 또한 공간-시
간의 진공은 결코 '무'가 아니다. 그것은 순간적으로 존재하다가 다시 어머
니 대양으로 흡수되어 돌아가는 끊임없이 끓어오르는 입자들의 바다이다.
  영점 에너지 존재는 이미 증명된 것이지만, 그 크기에 관해서는 일치된
견해가 없다. 무한이라고 주장하는 사람도 있는 반면 그리 추출할 에너지
가 없다는 사람도 있다. 경제성을 말하는 사람도 있다. 영점 에너지 존재와
제반문제는 뒤에 영점에너지 내용을 참조하기 바란다.
  이러한 학문적 상태에서 영점 에너지를 끄집어내는 실험 장치를 연구하
는 사람도 있다. 공교롭게도 그 중심인물은 텍사스 어스틴 고등학연구소
(Institute for Advanced Studies at Austin) 소장 푸토프(Harold Puthoff)
이다. 그는 지난 10년간 10개의 장치를 시험했으나 아직 작동하는 것은 발
견하지 못했으나 희망을 포기하지 않고 있다.
  <사이언티픽 아메리컨>(1997년 12월 호)과 방송 등에서 영점 에너지에
관한 푸토프의 노력을 다룬 것을 본 가드너(Martin Gardner)는 <스켑티컬
인콰이어러>(1998년 5/6월호)에 이 분야 연구에 대한 문제와 동시에 푸토
프의 문제를 부각시키고 나섰다. 가드너가 말하려는 것은 다분히 푸토프의
과거 경력이었다. 그는 타그(Russell Targ)와 함께 1974년 유리 겔러의 초
능력을 입증하였다는 논문을 잡지(네이처)에 실렸으며 이들은 1976년 책
(Mind-Reach)에서 ESP PK, 예지의 존재가 근거가 있는 것처럼 그렸다.
또한 '먼 곳 보기(remote viewing)' 실험을 통해 그런 능력이 존재하는 것
처럼 말했다.
  한 마디로 푸토프는 초정상 현상의 홍보자이며 또한 의사과학의 홍보자
이다. 이들 연구는 스탠퍼드 연구소(SRI)에서 수행한 것이지만 그 이전에
푸토프는 사이언톨로지(Scientology)의 열열한 신봉자였다. 사이언톨로지
목사가 결혼주례를 섰으며 1970년 이 교회는 스탠퍼드 물리학자인 푸토프
가 신자임을 널리 홍보하기도 하였다. 그리고 1987년 SRI를 떠난 후에 그
는 어스틴의 고등학연구소에서 영점 에너지에 관한 연구를 수행한 것이다.
  푸토프는 이번에는 무엇을 하려고 하는가? 아마도 이것이 가드너 글의
요점인 것 같다. 그는 과거 SRI에서의 '먼 곳 보기' 연구에 수백만 달러를
사용했다. 그리고 이제 그는 영점 에너지의 실용화 가능성을 말하며 다시
연구비를 끌어 모으고 있는 것이 아닌가? 이때 평가는 그의 과거와 잘못된
과거의 연구를 함께 고려해서 내려야 하지 않을까?

2. 푸토프의 반론과 다른 의견들
 
  곧 같은 <스켑티컬 인콰이어러>(1998년 9/10월 호)에 푸토프의 글이 나
왔다. 그는 비교적 자세히 1970년대 초 사이언톨로지와의 관련성을 설명하
고 그것이 잘못된 것임을 알고 현재는 관계를 청산했다고 말했다. 그는 유
리 겔러 연구는 언급하지 않았으나 SRI에서 15년간 수행한 '먼 곳 보기'
연구에 관해서는 자신감을 표시하였다. 아마도 아직 찬반 논쟁이 있는 분
야이기 때문이라고 생각된다. 그는 자신의 초정상현상 연구철학도 말하며
소위 가드너 유형 스켑틱에 대한 공격도 잊지 않았다.
  이 때 푸토프는 자신의 스켑티시즘은 두 개의 날을 가진 칼이라고 비유
하였다. 하나는 황당한 주장을 자르는 칼날이고 다른 하나는 아직 시험해
보지도 않고 근거가 없을 것이라는 믿음에서 나온 배척을 자르는 것이라고
하였다. 그는 이미 알려진 지혜도 의심을 갖고 보며 또한 어느 누구의 권
위에도 의존하지 않기 때문에 스스로 시험해 볼 것이라고 하였다. 이것은
또한 그의 영점에너지를 보는 시각을 말하는 것이다.
  영점 에너지를 화학적 수준을 넘어 사용할 수 있도록 추출할 수 있는가?
그것을 조작하여 검출 수준에서 중력/관성의 변화를 일으킬 수 있는가? 푸
토프는 자신은 이 문제에 대해 주류 과학자와 입장이 다른 '외로운 선구자
'라고 하였다. 이 문제를 진지하게 고려했던 사하로프(A. Sakharov), 데이
비스(P. Davis) 그리고 포워드(R. Forward)를 보라. 이들이 아니었다면 오
늘의 영점 에너지가 있었겠는가?
  푸토프는 영점 에너지 연구가 이미 대학, 정부연구소 등 학자들의 협동
연구과제가 되었고 Physical Review, Science 등 여러 수준 높은 정통 과
학잡지에서 다뤄지는 분야라는 점을 부각시켰다. 그리고 자신의 관성과 관
련된 연구도 이런 잡지에 발표되었다. 그는 1997년 여름 NASA 루이스연
구소(Lewis Research Center)의 학회에서 8개의 연구그룹이 영점 에너지
연구를 계속연구 우선 과제로 분류하였음을 상기시켰다.
  푸토프는 가드너의 연구비 비평에도 언급했는데, 영점 에너지 연구는 허
황된 그 많은 연구, 아마도 영구운동장치와 같은 것에 투자하는 달러를 유
용한 목적에 쓰도록 투자가들을 바르게 인도해 줄 것이라고 하였다. 에너
지 문제의 해결이야말로 인류에게 중요하다. 이런 때에 어떤 가능한 에너
지 연구도 격려해야 하며 사치라고 보는 시각은 바르지 못하다. 과학의 점
에서 푸토프의 이런 주장은 나무랄 데가 없어 보인다.
  이러한 푸토프의 답변에 접한 가드너는 영점 에너지 본질에 관한 연구가
계속돼야 한다는 점에는 학문적으로 이론이 없다고 하였다. 그러나 아직
푸토프가 초정상을 믿고 있는지, 그런 면에서 신뢰할 수 있는지는 다른 문
제라고 하며 그가 아직 초정상 믿음을 포기하지 않고 있음을 말했다. 또한
영점 에너지 연구의 선구자라고 한 사하로프, 데이비스 그리고 포워드가
영점 에너지에서 어떤 견해를 가졌고 또한 어떤 배경의 학자인지를 해설했
다.
  사하로프는 단지 중력이 영점 에너지가 물질에 의해 변할 때 나타나는
결과라고 추론하였을 뿐이다. 데이비스는 푸토프의 희망과는 다르게 영점
에너지 장치를 연구하는 것은 바로스러운 짓이라고 말한 사람이다. 물리학
자 포워드는 < 화성의 무지개, Martian Rainbow > 등을 지은 과학소설작
가이며 1988년에 나온 그의 논픽션 소설 < 미래의 마술, Future Magic >
에는 영점 에너지 장치를 만드는 방법,  반중력 장치, 광 비임에 타고 별나
라 여행하기 등 여러 가지가 들어 있다.   
  이보다 실제 주변 사람들이 이 논쟁을 보는 시각이 흥미롭다. 가드너의
반대편 스켑틱은 누구인가? 냉담형(dry)에 대한 심약형(wet) 스켑틱 트루
지(Marcello Truzzi)이다. 그는 스스로 온건형(mild) 스켑틱이라고 부르는
학자이다.  그는 가드너가 과거에 물리학자인 푸토프가 이상한 초정상을
연구하는 것을 꾸짖었는데, 이제 물리학 본업에 들어선 푸토프를 비평한
것은 환영받지 못할지도 모른다고 하였다. 더욱이 푸토프의 연구는 학계의
인정을 받아 유명 잡지에 실리지 않는가? 또한 트루지는 가드너가 연구비
로 시달리는 정통학자들을 대변하고 있는 것으로 표현하였다.
 
3. 영점 에너지란 무엇인가?
 
  영점 에너지 개념은 1927년 하이젠베르크의 불확정성 원리와 관계가 있
다. 이 원리에 의하면 입자의 위치와 운동량을 동시에 완전히 안다는 것은
불가능하다.  만일 절대 0도에서 입자가 완전히 정지상태라면 위치와 운동
량을 정확히 측정하지 못할 리가 없다. 이 말은 절대 0도에서도 입자는 아
직 운동하고 있음에 틀림없다는 것이다. 
  또한 입자와 운동량과 마찬가지로 에너지와 시간도 불확정성 원리를 따
른다. 불확정성 원리에 의하면 텅빈 공간 중에도 에너지는 존재해야 한다.
에너지가 0이라면 이것을 확정하기 위해서 공간의 부피 내에서 에너지 측
정은 영원의 시간이 걸리기 때문이다. 그리고 이 에너지는 아인슈타인의
E=mc2에 의하여 입자로 변환될 수 있다. 다시 말해서 진공 에너지는 입자
로 변환될 수 있으며 이 입자는 불확정성 원리에 의해  규정된 시간 간격
내에 존재하다가 살아져 버린다. 
  이와 같이 불확성성 원리에 의해 영점 에너지의 존재는 분명한 것 같지
만 실험적 증거가 있는가? 물리학자들은 여기된 원자에 의해 방출되는 빛
의 약간의 진동수 변이를 말하는 램이동(Lamb shift)이 영점 에너지의 증
거라고 말한다. 또한 전자적 그리고 광학적 장치에서 등록되는 낮은 피할
수 없는 잡음을 말한다. 그러나 아마도 가장 극적인 예는 1948년 네덜란드
의 물리학자 카시미르(H.B.G. Casimir)가 발견한 카시미르 효과이다. 
  카시미르 효과는 두 개의 금속판을 충분히 가까이 가져올 때에 약간 서
로 끄는 힘이 작용하는 효과이다. 두 개 판 사이의 아주 좁은 간격은 모든
것을 밀어내고 그 안에 단지 진공에너지의 아주 작은 고주파의 전자기 양
식만을 밀어 넣기 때문이다. 이때 개개 판은 비행기 날개의 역할을 한다.
그래서 한 쪽에는 저압, 다른 한 쪽에는 고압을 만들어 이 힘의 차이에 의
해 두 개의 판은 서로 끌리게 된다.
  워싱턴 대학에 있던 때 Steve Lamoreaux는 카시미르 효과에 대한 가장
정밀한 실험을 하였다. 그는 금으로 도금한 석영표면을 판으로 사용하였다.
한 개의 판을 아주 예민한 토손 추에 달고 실험했는데 레이저로 추의 뒤틀
림을 측정한 결과 100 미크로다인이었다. 이것은 지구 중력장에서 한 개의
혈구의 무게에 해당되는 것이다. 그리고 이 값은 카시미르가 예측한 것의
5%이내에 들었다.
  이와 같이 영점에너지의 존재는 증명되었다. 그렇다면 이 에너지의 활용
가능성을 생각해서 진공 중에 이러한 에너지가 과연 얼마나 들어 있는지가
관심사이다. 양자역학자 중에는 일정한 진공 부피 내에 무한의 진공에너지
진동수를 함유할 수 있으므로 실제 무한의 에너지가 있다고 말하는 사람도
있다. 그러나 이 에너지 바다는 우리 눈에는  보이지 않는다. 주위의 모든
방향에서 균일하게 충격을 주므로 우리는 모른다고 한다 이것이 영점에너
지 제1주의자(Chauvinist)의 주장이다.
  그러나 이론상으로 도출된 이러한 무한 에너지론은 근거가 약하다. 방정
식에 의해 무한대가 나왔다고 해서 실제로 무한대로 존재한다는 것을 의미
하는 것은 아니기 때문이다. 흔히 물리학자들이 하는 방식은 무한대가 나
오지 않도록 방정식을 재조정하여 그 수에 물리학적 의미를 부여한다. 예
를 들어 이론적 원리에 의해 전자의 질량을 계산할 때에 그 자체는 비현실
적인 무한의 질량일 수 있다. 마찬가지로 에너지가 무한이라고 하는 것은
물리학자의 눈으로는 천진난만한 것이다.
  Lamoreaux의 실험결과에 의하면 대충 10 마이너스15승 줄(joule) 정도
를 뽑아낼 수 있다. 이것은 진공 중에 그리 특별히 추출할 에너지가 없다
는 것을 의미한다. 그러나 이에 반대하는 푸토프는 카시미르 판이란 거시
적 물체라고 말한다. 많은 판을 사용하면 예를 들어 10의 23승의 판을 사
용하면 실용적 에너지를 얻어낼 수 있으리라고 말한다. 하지만 현재
Lamoreaux도 그곳에 있지만, 로스 알라모스 국립연구소(Los Alamos
National laboratory)의 밀로니(Peter W. Miloni)는 에너지를 끄집어 낼 경
우에 경제성 면에서 문제가 있다고 말한다.
  이러한 영점에너지의 크기에 대한 논란과 더불어 앞서 말한 푸토프는
실제 영점에너지를 끄집어내는 실험적 시도도 하고 있다. 그가 착안한 장
치에는 러시아 발명가가 고안한 킬로왓트의 초과열을 발생시킬 수 있었다
고 하는 음을 빛으로 바꾸는 음발광에 기초한 장치도 있다. 이것은 물을
음(초음파)으로 충격을 주어 공기방울 통(can)을 만들 때에 옳은 조건하에
서 방울이 붕괴되며 빛이 나오는 현상이다.
  이전에 음발광은 붕괴되는 방울 내에서 발사된 쇼크 파로 설명하였다.
쇼크 파가 내부를 가열하여 빛을 내도록 한다는 것이다. 그러나 노벨상 수
상자 슈윙거(Julian Schwinger)의 연구를 계속 추진하여 몇 몇 과학자는
영점에너지가 그 원인이라고 하였다. 이 때 기본적으로 방울의 표면이 카
시미르 힘 판으로 작용한다는 것이다. 그래서 방울이 붕괴됨에 따라 큰 공
간에너지의 양식을 배제시켜 빛으로 바꾼다. 이론이야 어떻든 푸토프는 이
장치에서 초과열을 발견하지 못했다. 
  푸토프는 방울이 아니라 원자적 접근이 바람직하다고 믿고 있다. 그의
아이디어는 "영점 에너지를 흡수하여 원자 중의 전자가 원자핵 주위를 계
속 선회한다"는 아직 증명되지 않은  가설에 기초한 것이다. 물리학자들은
충분히 작은 동공이 구속된 여기 전자가 에너지를 읽고 더 낮은 상태로 떨
어지는 것을 억제한다는 것을 증명했는데, 근본적으로 동공의 크기는 더
낮은 진동수의 진공 파동을 제한하여 여기된 입자가 에너지를 잃고 더 낮
은 에너지 상태로 떨어질 수 없게 된다.
  푸토프는 그렇다면  새로운 더 낮은 바닥상태가 나타나도록 진공을 조작
할 수 있으리라고 본다. 그렇게 된다면 바닥 상태로 떨어지며 더 많은 에
너지가 나타날 것이 아닌가? 그러한 동공 내로 주사한 수소 또는 중수소는
초과열을 발생할 것이며 이것이 실온융합을 설명해 줄 수도 있을 것이 아
닌가? (참고 문헌은 내용 중에 인용하였다)