MHD 물리학 천체물리학 연구

왜 나는 수퍼에로 또는 내 웹사이트에서 MHD 강의를 하지 않을 것인지

J.P. 페티

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2003년 12월 12일: 나는 이 강연(약 3시간에 걸쳐 진행됨)에서 다룬 모든 내용을 풍부한 그림과 함께 내 웹사이트에 게시할 예정이었다. 그러나 그 사이에 냉전 플라즈마 프로젝트들이 속속 등장하는 것을 목격했다. 그 중 일부는 국립과학연구원(CNRS) 자체가 주도하기도 했다. 나는 갑자기 프랑스가 내가 20년 이상 노력해왔지만 결코 성과를 내지 못한 연구 주제에 대해 갑자기 불가사의한 관심을 보이게 되었다는 사실에 실망감을 느꼈다. 마치 베르나르 파리시처럼, 나는 회수한 장비로 지하실에서 연구를 했던 것이다.

이 모든 것이 내 입안에 갑자기 재를 먹은 듯한 쓴맛을 남겼다. 내게 있어 1965년이 시작된 과거가 악취 나는 진흙 속에서 뒤엉킨 연기처럼 떠올랐다.

어떤 이들은 내 글이 날카롭고, 내 어조가 종종 쓰라린 것이라고 말한다. 아마도 내 생각을 솔직히 밝혀둘 필요가 있을 것이다. 젊은이들아, 연구 세계는 일반적으로 매우 지저분하다. 거짓말을 하는 사람이 많을 뿐 아니라, 어리석은 사람도 많고, 자주 둘 다 겹쳐 있다.

한 달에 한 번은 젊은 학생이 내게 메일을 보내며 “이제야 길을 찾았어요. 저는 연구자가 되겠습니다.”라고 말한다. 나는 그를 설득하여 연구자가 되지 않도록 한다. 다른 분야가 더 나을 수도 있겠지만 말이다. 나는 1950년대 말에 일어난 일화를 들려줄 것이다. 나는 수퍼에로에 합류한 지 얼마 되지 않은 시점이었고, 그 시절 수퍼에로는 파리 남부의 비코르 부르바르에 있었다. 친구 한 명이 부유한 남편(포메르뢰 백작)과 결혼해 있었고, 그 집에서 주말을 보내게 되었다. 그 자리에는 장-프랑수아 레벨과 나탈리 사라우르도 있었고, 다른 사람들은 이름을 잊어버렸다. 나는 어떤 크라이슬이라는 사람에게 소개되었다. 그는 프린스턴 대학에서 수학적 논리학을 연구하고 있었다.

• 그런데 지금 프린스턴에 계신 건 아니시죠?
• 아니요, 저는 전 세계를 돌아다니며 젊은 여학생들을 찾아다니고 있습니다. - 그렇다면 거의 프린스턴에 계신 적이 없으신 거군요?
• 네, 가끔씩 흔적을 남기기 위해 작은 정리를 하나 내놓습니다. 하지만 한 번은 반드시 대학에 있어야 할 날이 있습니다. 바로 졸업식 날이죠. 학장이 교수들과 연구자들 앞에서 연설을 하기 때문이죠.
• 죄송하지만, 젊은 공학도로서 저는 '연구'라는 게 무엇인지 모릅니다.
• 아하! 친애하는 친구, 연구란 가장 먼저 날아가는 자가 되는 것입니다!

그 말은 내 귀에 오랫동안 남아 있었다. 나는 그 말을 실제로 여러 차례 경험했다. 사실 이 분야에서는 문제를 일으키지 않으려면 아이디어를 전혀 가지지 않는 것이 유일한 방법이다. 다행히도 대부분의 연구자들은 그 조건을 충족한다. 아이디어가 많을수록 문제는 많아진다. 나는 MHD 연구를 시작한 지 불과 1년 만에 그 문제를 겪었다. 1966년, 지금 몇몇 저널에서 다시 언급하고 있듯이, 나는 세계에서 처음으로 '평형 상태가 아닌' MHD 발전기를 성공적으로 작동시킨 사람이다. 이 발전기는 가스와 전자 가스의 온도가 크게 달랐다. 가스는 4,000도에서 6,000도, 전자 가스는 10,000도였다. 나는 '벨리코프의 속도 불안정성'을 이용하는 방법을 찾아내었고, 첫 번째 시도에서 성공했다. 모든 것이 한 아침에 끝났다. 나는 그 기억을 아직도 선명히 간직하고 있다. 나는 1967년 바르샤바에서 열린 MHD 회의에서 그 결과를 발표했다. 그리고 그때부터 문제가 시작되었다. 많은 사람들이 그것이 '세계적인 획기적인 발전'이라고 생각했다. "그 사람이 가스 온도를 10,000도에서 4,000도로 낮출 수 있다면, 나머지 길도 갈 수 있을 것이다. 가스 온도를 1,500K로 낮출 수 있다면, 그런 온도에 견딜 수 있는 재료가 존재할 것이다. 이 에너지 변환 방식(열 에너지 → 운동 에너지 → 전기 에너지)의 산업적 응용은 엄청난 수익을 가져올 것이다. 효율은 60%까지 도달할 수 있다."

그런 식의 긴급 상황은 수년간 지속되었다. 마침내 7년간 마르세유 유체역학연구소에 머물러 있던 후, 나는 이렇게 생각하게 되었다.

• 오, 오래 머무르면 정신이 나갈 거야. 빨리 빠져나갈 방법을 찾아야 해.

그리고 나는 6개월 만에 이론가가 되었다. 나는 절망적으로 기체의 운동론 이론을 모두 먹어치웠다( Chapman과 Cowling의 『비균일 기체의 수학 이론』, 캠브리지 대학교 출판사). 만약 도망치기 위해 중국어를 배워야 했다면, 나는 그렇게 했을 것이다. 1년도 채 안 되어 나는 아주 훌륭한 박사학위 논문을 마무리했고, 학계의 거장이자 수학자인 리히엔로비치의 매우 긍정적인 평가를 받았다. 이를 통해 나는 이 끔찍한 '게으른 개구리 군'에서 벗어날 수 있었다(이 연구소는 지금은 해체되었다).

나는 볼츠만 방정식의 우변을 잘라내어 가지치기처럼 처리했다. 그 결과는 볼라소프 방정식이 되었다. 나는 이를 포아송 방정식과 결합했고, 전자를 별로 바꾸어 마르세유 천문대의 천체물리학자로 전환했다. 거기서는 정신적으로 편안한, 노인 요양원 같은 분위기였다. 문제를 피하기 위해 나는 연구비도, 사무실도, 출장비도 요구하지 않았다. 아무것도 요구하지 않는 것이, 다른 사람들이 작은 돈을 놓고 서로 싸우는 동안 평온하게 살아가는 데 가장 좋은 방법이다. 나는 종종 연구-대학 세계를 아주 형편없는 닭장에 비유했다. 한 해에 한 번, 농부가 한 줌의 곡물을 뿌린다. 닭들은 그 곡물을 놓치지 않기 위해 떼를 지어 날아오르며 서로를 찢어버린다. 이 학자들(대학원생)은 자신들이 아래에 있는 사람들을 밟을 수 있는 높은 장소를 차지하기 위해 치열하게 싸운다. 이 분야에서 가장 놀라운 점은, 사람들이 엄청난 에너지를 쏟아부으며, 아주 작은 금액을 놓고 '다스' 같은 드라마를 연출한다는 것이다. 이토록 정교한 궁중 음모와 오랜 준비를 거쳐, 아주 미미한 지위와 권력을 얻기 위한 음모가 벌어진다.

과학자들은 종종 지루하지만, 운 좋게도 과학 자체는 재미있다. 단지 랑투르루처럼 살아가는 방식을 선택하면 말이다. 1975-76년경 나는 MHD 분야로 다시 복귀했고, 그로 인해 또 다른 일련의 모험을 겪게 되었으며, 이 이야기는 알빈 미셸 출판사에서 출간한 책 『UFO에 대한 조사』에 담겨 있다. 또 다른 별로 빛나지 않는 이야기지만, 이는 흔한 일이다. 혹시 왓슨이 쓴 『이중 나선』이라는 책을 읽어보셨는지 모르겠다. 왓슨은 크릭과 함께 노벨상을 공동 수상했다. 그들은 당시 캐벤디시 실험실에 있었고, 그 실험실은 '브래그 아들'이 이끌고 있었다. 브래그 아버지(유명한 결정학자, 브래그 법칙의 발명자)가 아니라. 왓슨은 어느 날 크릭이 세미나에서 아이디어를 발표했고, 몇 주 뒤에 그 아이디어가 브래그 아들의 이름으로 출판된 것을 보고 실망했다고 말한다. 그는 그의 사무실로 들어가 항의했다. 그러나 브래그는 책을 읽고 있던 중 눈을 들지 않고 이렇게 말했다.

• 크릭 씨, 당신은 이 실험실에서 단순한 계약직이라는 점을 상기해 주시기 바랍니다. 당신의 위치는 언제든지 재검토될 수 있습니다. 나가 주세요.

맞다, 사실은 이런 일이 흔히 일어난다. 내가 말하는 이 사람도, 그저 그런 일을 수없이 겪어왔다. 잘 알아듣는 사람에게 인사한다. 내 오랜 친구 자크 벤베니스테처럼, 나는 결코 깃발을 내리지 않았지만, 나이 든 뿔소나무처럼 상처투성이였다. 다시 생각해보면, 만약 내가 앞으로의 모든 것을 알고 있었다면, 이 길을 선택하지 않았을지도 모른다.

MHD 분야에서 내게 가장 큰 문제를 일으킨 것은 군대였다. 군대는 다른 사람의 불을 끄고 나서 그 열매를 먹는 것을 좋아하는 대표적인 소비자였다. 내 경우, 시간이 지나고 보면 재미있는 점은, 그 열매는 충분히 익지 않아 먹을 수 없었다는 것이다. 나는 첫 시도에서 실험을 성공시켜 길을 열었고, 그 뒤를 따르려는 사람들은 잘못된 길로 들어가 끝내 끈적끈적한 모래사장에 빠져들었다. 사실 MHD는 매우 단단한 암석 속을 뻗어나가는 금광을 캐는 것과 비슷하다. 올바른 방향으로 공격하면 자연은 친절하게 행동하고, 물리학은 최고의 열매를 주지만, 항상 금광의 흐름을 따라야 한다. 어느 방향으로든 흐름을 따라야 하며, 그렇지 않으면 가장 단단한 암석보다도 극복할 수 없는 장애물에 부딪힌다. 아마추어는 삼가야 한다. 내 뒤를 따라가며 이 역사가 반복된 것은 적어도 6번 이상이다. 시간이 되면, 사진과 문서를 들어, 1979년 CNES의 실패, 에스테르레-자포리의 콤비네이션 실패, 이로 인해 GEPAN이 해체되고 관련자들이 비밀리에 내쫓긴 일 등을 설명할 것이다. (나는 그들의 실수를 상세히 설명한 보고서를 확보해 지금까지 보관하고 있다. 그 실수는 무지에서 비롯된 것이다.)

수퍼에로에서 이 강연을 할 때 나는 젊은 학생들에게 내 책(내 책)에서 제시한 아이디어들이 단순한, 구도적인, 엄청난 난관을 숨기고 있는 '초안'이라는 사실을 밝혔다. 나는 이 난관의 본질과 그 해결책을 이미 오래전부터 알고 있었다. 나는 또 한 번 군사 공학자들의 실패를 예측했다. 이전과 마찬가지로 매우 심각한 실패였다. 내 과거를 아는 사람들은 내가 재난을 예측할 때마다 그 재난이 실제로 발생했다는 것을 알고 있다. 가끔 나는 마르크스 형제 영화의 한 장면을 떠올린다. 경찰이 하르포가 집에 손을 대고 있는 것을 보고, 그를 내보내라고 명령한다. 그러나 하르포는 손짓으로 설명한다. "내가 떠나면 건물이 무너질 거예요." 경찰은 믿지 않고, 그를 끌어낸다. 그리고 실제로 건물은 무너진다.

내 미국 동료들과 대화를 나누며, 유럽 연구자들이 어떤 함정에 빠질지 서로 웃어넘겼다. 그러나 내 책이나 노트에는 이런 문제에 대해 언급되지 않는다. 이 모든 것은 내 뇌 속, 두 뉴런 사이에 보관되어 있으며, 결코 밖으로 나올 일은 없을 것이다. 거짓말인가? 내 사정을 아는 사람들은 내가 결코 과장하지 않는다는 것을 안다. 어쨌든 사실은 다시 한번 나의 말을 뒷받침할 것이다.

물론 이 강연은 학생들에게 큰 관심을 불러일으켰다. 나는 직접 말했다. "처음 이 학교는 국립항공고등학교(ENSA)라 불렸다. 1960년대 말에 이름이 바뀌어 국립항공고등학교 및 우주고등학교(ENSAE)가 되었다. 나는 앞으로 또 한 번 이름이 바뀔 것이라고 예측한다. 언젠가 국립항공고등학교 및 우주고등학교와 자기유체역학고등학교(ENSAEM)가 될지도 모른다." 왜냐하면 MHD는 할아버지의 유체역학(나비에-스토크스 방정식)의 연장선이 아니라, 오히려 유체역학이 MHD의 하위 집합이기 때문이다. 언젠가는 모든 비행기들이 MHD 원리를 이용하여, 10,000km/h 이상의 속도로 희박한 공기 중을 비행할 것이다. 내 책에서 제시한 아이디어는 2시간 만에 반대편 지구까지 도달할 수 있는 극초음속 민간 항공기로 이어진다. 리드버그의 비행기에서 콘코르드까지의 도약과 비슷한 것이다. 우주 분야도 완전히 재설계되어야 한다. MHD 기반의 기계는 재사용 가능한 발사체이거나, 오히려 자체 추진력으로 이륙할 수 있는 우주선이 될 수 있다. 터보제트 엔진을 이용해 공기를 이용해 상승하고, 궤도에 진입한 후, 전통적인 '열차단' 또는 '내열 타일' 시스템 대신 'MHD 방패'를 사용해 매우 부드럽게 재진입할 수 있다. MHD 발사체의 성능을 현재 시스템과 비교하려면, 날개가 아직 발명되지 않았고, 비행을 위해 수직 추진기나 로켓밖에 사용할 수 없다고 상상해보면 된다. 그러면 유용적재량은 태양 아래 눈처럼 녹아 없어질 것이다. 수퍼에로의 학생들에게 이런 문제를 '설계 사무소' 시간에 제안하는 것은 재미있을 것이다.

지금 당장부터 내일의 초고속 콘코르드, 궤도에 올릴 수 있는 차량을 연구하는 것은 가능하며, 매우 흥미로울 것이다. 그러나 그 전에, 장기적으로 악마가 그의 몫을 가져야 한다. 이는 군대 내 연구 분야에서의 코드명이다(내 책 『악마의 자식들』, 알빈 미셸, 1995년에서 이 제목이 유래되었다). 군사 연구는 국가비밀을 명분으로 모든 권한을 주장하며, '강탈', '낭비', '엄청난 실수'라는 말은 의미가 없다. 만약 내가 냉전 플라즈마와 MHD의 물리학 교육을 제공했다면(현재 프랑스에는 그런 교육이 없음), 그 군대는 다시 기세를 올릴 것이다. 문이 열리고, 황금이 쏟아질 것이다. 그러나 생각해보니, 나는 내 지식을 스스로 지킬 것이다. 군사 기업에서 이미 너무 많은 돈이 낭비되고 있다(폭탄, 미사일, 핵잠수정). 더 이상 누군가가 그 위에 기름을 부을 수는 없다.

시간이 되면, 나는 내 웹사이트에 대학원 수준의 이론 천체물리학 강의를 올릴 것이다. 이는 1960년대에 사라진 또 다른 지식이다. 오늘날의 천체물리학 대학원에서는 학생들에게 수치 시뮬레이션 프로그램을 다루는 법을 가르친다. 냉각된 어둠의 물질, 따뜻한 어둠의 물질, 식사마다. 안타깝게도, 강력한 계산 능력이 있더라도 성능이 향상되지는 않는다. 마르세유 천문대의 리아 아타나소울라와 그녀의 남편 보스마는 이 사실을 잘 알고 있다. 그녀는 20년간 수치적 은하를 시뮬레이션했고, 은하의 나선 팔이 한 바퀴 돌자마자 사라졌다. 결국 그녀는 포기했다. 그 남편은 매일 은하에 어둠의 물질을 뿌려 회전곡선을 맞추려 한다. 이를 '이론'이라고 부를 수 있을까? 최소한의 수리적 조작에 불과하다. 해결책은 다른 곳에 있다. 그러나 몇 개의 뉴런을 써야 한다. 나는 이 모든 것을 설명할 것이고, 학생들은 이 이론적 접근의 우아함을 보며 이렇게 말할 것이다. "왜 이런 것을 우리에게 가르치지 않는 걸까?"

그러나 MHD에 대해서는 안 된다. 그래서 나는 이 강연 요약을 마치지 않을 것이다. 나는 1986년 이미 포기했다. 이미 7년이 넘었다. 그 이후로는 별로 빛나지 않는 서사가 이어졌다(『UFO에 대한 조사』, 알빈 미셸 참조). 브리튼 회의는 단지 짧은 순간 동안 그 관심을 되살렸을 뿐이다.

"프랑스가 냉전 플라즈마에 열광하고 있다"는 말을 읽을 수 있었다. 그러나 MHD(따뜻한 플라즈마, 토카막이나 자기 레이놀즈 수가 큰 태양코로나 플라즈마)에 대해 대학원 과정을 밟는 학생들이 이 유명한 이온 온도 플라즈마에 대해 논문을 쓸 연구소를 찾으려 해도, 어찌 되었는지 어려움을 겪고 있다. 군대는 인내심을 잃고, 인사팀은 나와 함께 논문을 쓴 사람들을 향해 눈을 돌리고 있다. 안타깝게도, MHD 연구에 단순히 밸브를 조작하는 것으로만 참여한 학생이 과학상까지 수상했지만, 그는 벨리코프 불안정성에 대해 설명할 수 없었을 것이다. 그는 결코 그것을 이해하지 못했기 때문이다. 또, 나와 함께 이온 온도 플라즈마 운동론 이론 논문을 쓴 사람들은, 그 서명을 통해 아주 소소한 기여(일반적으로 컴퓨터로 수행한 작은 수치 계산)에 대한 고마움을 받았다.

미국과 러시아는 마음 놓고 자를 수 있다. 프랑스의 오로라(또는 유럽의 오로라)는 내일이 아니라, 수퍼에로의 MHD 강의도 없을 것이다. 운이 좋지 않다. 이온 온도 M