균형을 벗어난 세계들 (물리학)
균형을 벗어난 세계들
Jean Pierre PETIT – 전 연구 책임자 – CNRS FR.
2013년 1월 12일
일반인들이 시스템의 균형을 생각할 때, 보통 우물 바닥에 놓인 공이나 비슷한 이미지를 떠올린다.
열역학적 균형 이론에는 더 미묘한 개념이 포함되어 있다. 바로 동적 균형이다. 가장 단순한 예는 우리가 마시는 공기이다. 공기 분자들은 모든 방향으로 빠르게 흔들리며 평균 열속도는 400m/s이다. 끊임없이 격렬하게 분자들은 충돌하고 상호작용한다. 이 충돌은 분자들의 속도를 변화시킨다. 그러나 물리학자는 이를 통계적 정상 상태로 해석한다(사용되는 용어는 '세부 균형'). 어떤 요정이 실시간으로 방 안의 어느 지점에서든 특정 방향의 분자 속도를 약간의 각도 불확실성으로 측정할 수 있다고 상상해 보자. 시간 간격마다 이 요정은 속도 V와 V+ΔV(대수적 값)를 세고, 이를 그래프에 표시한다. 그러면 멋진 가우시안 곡선이 나타나며, 최고점의 평균값은 약 400m/s 근처에 있다. 분자들이 빠르거나 느릴수록 그 수는 적어진다.
그는 측정 장치를 공간의 어떤 방향으로든 향해 이 과정을 반복한다. 그리고 놀랍게도, 같은 결과를 얻는다. 방 안의 분자 운동은 등방적이다. 게다가 온도가 일정하면 이 동적 균형은 아무것도 방해할 수 없다. 왜냐하면 기체의 온도는 정확히 열운동에서 유래한 평균 운동에너지이기 때문이다. 물리학자들은 이 기체가 열역학적 균형 상태에 있다고 설명한다. 이 상태는 다층적이다. 공기 분자들은 구형 대칭을 갖지 않는다. 산소나 헬륨과 같은 이원자 분자는 땅콩 모양이다. 이산화탄소나 수증기 분자들은 다른 형태를 가진다. 이러한 물체들은 회전하면서 작은 휠처럼 에너지를 저장할 수 있다. 분자들은 진동할 수도 있다. 에너지 균등 분포 개념에 따르면, 에너지는 이 다양한 '모드'에 균등하게 분배되어야 한다. 충돌 시 일부 운동에너지는 분자의 진동 또는 회전 에너지로 변환될 수 있다. 반대로도 성립한다. 따라서 모든 것은 통계학에 기반하며, 이 요정은 특정 상태에 있는 분자 수, 특정 운동에너지를 가진 분자 수, 특정 진동 상태에 있는 분자 수를 세어볼 수 있다. 다시 우리 숨쉬는 공기로 돌아가면, 이 조사 결과는 정상 상태로 이어진다. 따라서 이러한 매체는 열역학적 균형 상태, 즉 안정 상태에 있다고 말할 수 있다. 마치 마법사가 분자들을 멈추고 회전이나 진동을 고정하며, 원하는 대로 조작하여 새로운 통계 법칙을 만들고 아름다운 가우시안 곡선을 왜곡하거나, 예를 들어 한 방향의 열속도를 횡방향에 비해 두 배로 늘리는 등 비등방적인 사건을 만들 수 있다고 상상해 보자. 그런 후 시스템이 새로운 충돌을 통해 진화하도록 둔다. 몇 번의 충돌이 필요하면 시스템이 열역학적 균형으로 돌아갈까? 답은 매우 적다. 분자 간 충돌 사이의 평균 자유 시간은 기체에서의 완화 시간, 즉 열역학적 균형 상태로 복귀하는 데 걸리는 시간을 대략적으로 알려준다.
균형을 벗어난 매체는 존재할까? 분자들의 통계적 속도가 이 편안한 등방성과 아름다운 가우시안 곡선에서 크게 벗어나는 경우 말이다.
물론 있다! 사실 우주 대부분이 바로 그런 상태이다. 수백억 개의 별로 이루어진 은하, 즉 '은하도'는 기체 매체로 볼 수 있다. 여기서 분자는 별이어야 한다. 이 경우, 별 하나가 인접한 별과 만날 때까지의 평균 자유 시간은 우주의 나이보다 1만 배나 길다. 여기서 '만남'이란 무엇을 의미하는가? 두 별이 격렬하게 충돌하는 것을 말하는가? 전혀 아니다. 이론 물리학에서 말하는 기체 운동론의 영역에서는, 별이 인접한 별 근처를 지날 때 궤적이 눈에 띄게 변하면 이를 충돌로 간주한다.
그러나 계산 결과는 이러한 사건이 극히 드물다는 것을 보여준다. 따라서 수백억 개의 별로 이루어진 이 시스템은 일반적으로 충돌이 없는 것으로 간주할 수 있다.
수십억 년 동안 우리 태양의 궤도는 규칙적이고 거의 원형이다. 만약 태양이 스스로를 인식하고, 만남으로 인해 속도가 변하지 않는다면, 이웃 별의 존재를 전혀 알지 못할 것이다. 중력장은 '부드럽게'만 느껴질 뿐이다. 다른 별들이 만든 움푹 패인 부분을 느끼지 않고, 그 자체의 리듬으로 바다 속에서처럼 움직일 뿐이다. 즉각적으로 결과가 나타난다. 태양 근처에 있는 요정을 이제 천문학자로 바꾸고, 모든 방향에서 이웃 별들의 속도 통계를 만들도록 하자. 명백한 사실이 드러난다. 동역학적으로 볼 때 매체는 강하게 비등방적이다. 별들의 운동 속도(천문학자들이 평균 은하 회전 속도인 약 230km/s에 대해 상대적인 '잔여 속도'라 부르는 것)가 어느 방향에서는 다른 모든 횡방향보다 거의 두 배나 높다. 우리 숨쉬는 공기에서는 이걸 '구형 속도 분포'라고 했지만, 이제는 '타원형 속도 분포'가 된다. 지금까지는 괜찮은가? 이 변화가 우리의 시각과 세계 이해에 어떤 영향을 미칠까? 전부 바뀐다! 왜냐하면 멀리서 보면 이처럼 균형에서 크게 벗어난 시스템의 이론을 다룰 수 없기 때문이다.
암흑 물질의 악마 같은 효과로 인해 은하가 모순된 상태에 있다는 점을 제외하고, 이는 1930년 스위스계 미국인 프리츠 짜이키가 발견한 '누락된 질량' 문제이다. 어쨌든 우리는 자중력 포인트 질량 모델(자기 중력장 내에서 궤도를 도는)을 만들 수 없다. 우리의 물리는 여전히 열역학적 균형 상태에 가까운 상태를 유지한다. 물론 이 상태에서 벗어나는 어떤 변화도 균형에서 벗어난 것으로 간주된다. 예를 들어, 두 기체 영역 사이에 온도 차이가 생기면 열전달이 일어나고, 열운동에서 유래한 운동에너지가 전달된다. 이 경우 요정을 다시 동원하면, 동역학적으로 매체는 '거의 등방적'이라고 결론 내릴 것이다. 이는 폭풍우가 가장 격렬한 우리 대기에서도 마찬가지이다.
그렇다면 기체 매체나 유체가 명백히 균형을 벗어난 상황을 실제로 만날 수 없을까? 충격파를 통과할 때 이러한 현상이 발생한다. 이는 충격파의 두께가 평균 자유 경로와 비슷한 크기의 제한된 영역이다.
기체가 충격파를 통과하면, 열역학적 균형에 가까운 상태에서 갑작스럽게 '충격받은' 상태로 전환되며, 몇 개의 평균 자유 경로 후에 열역학적 균형이 회복된다.
40년 전, 내가 일하던 실험실, 지금은 철거된 마르세유 유체역학연구소에서 이런 관측을 했다. 당시 우리는 '충격파관'이라 불리는 가스 총 같은 장비를 사용했다. 원리는 폭발을 이용해 진공 상태의 희박한 기체 내에서 초당 수천 미터의 속도로 전파되는 충격파를 유도하는 것이었다. 초기 기체 압력은 몇 mmHg 정도였다. 충격파가 지나간 후 기체는 재압축되어 밀도가 증가한다.
우리는 간섭계를 이용해 밀도의 증가를 쉽게 정확하게 추적할 수 있었다. 당시에는 폴리아크릴산(plexiglas) 모형 표면에서 열 흐름을 측정했다. 실험이 밀리초의 일부분만 지속되므로, 측정 장치는 매우 빠른 반응 속도를 가져야 했다. 정확히 말해, 벽에 진공 증착된 마이크로미터 두께의 얇은 금속 필름으로 구성되었으며, 열저항기 역할을 했다. 이 센서가 가열되는 동안 저항을 기록함으로써 열 흐름을 평가했다.
어느 날, 센서를 튜브 벽에 직접 부착했다. 그리고 충격파가 지나간 후 일정 시간이 지난 뒤 열 흐름이 센서에 도달하는 것을 관찰했다. 이는 밀도 급증으로 나타난 충격파의 전달을 의미했다. 그러나 센서의 열지연이 충분히 작아 이 지연이 센서 자체에서 비롯된 것이 아니라는 점을 확인했다. 실제로 우리는 충격파 뒤쪽에서 열역학적 균형으로 회귀하는 현상을 포착한 것이다.
이것은 망치로 치는 것과 비슷하다. 밀도가 갑작스럽게 증가할 뿐만 아니라, 온도가 급상승하는 것을 관찰했다. 이는 분자들의 열속도가 증가했음을 의미한다. 그러나 충격파 뒤쪽에서는 몇 개의 평균 자유 경로 후에 비등방성이 회복된다. 밀도 전면 바로 앞에서는 열운동이 충격파 방향에 수직인 방향으로 시작된다.
우리 센서가 열을 감지하는 것은 공기 분자가 표면에 충돌하기 때문이다. 그러나 밀도 전면 바로 앞에서 일정 거리 동안 열운동은 벽과 평행하게 발생한다. 기체는 이미 '가열'되었지만, 잠시 동안 벽으로 열을 전달할 수 없었다. 충돌을 통해 '속도의 타원체'는 '속도의 구체'로 변환되며, 결국 센서는 받은 열 흐름을 방출하게 된다. 우리가 사용한 실험 장비를 기억한다면, 밀도 전면에서 약 1cm 앞에서 이 열 흐름을 기록했다고 생각한다.
결국 충격파는 기체 매체가 크게 균형을 벗어난 매우 얇은 영역을 나타낸다.
이 문제를 어떻게 다루는가? 우리는 이러한 영역을 두께가 없는 표면과 동일시한다. 이 방법은 거의 1세기 동안 효과적으로 작동해 왔다.
나는 컴퓨터 역사의 거의 전부를 경험한 나이이다. 항공대학에서 공부할 당시 건물 안에는 컴퓨터가 없었다. 컴퓨터는 '계산센터'라 불리는 성소에 설치되어 있었고, 우리는 접근할 수 없었다. 우리는 계산자(슬라이딩 룰)를 사용해 계산했다. 오늘날 세대에게는 호기심의 대상이지만, 그 시절에는 학교 수업마다 로그표를 가지고 있었고, 시험은 이 로그표를 이용한 지루한 수치 계산 테스트로 이루어졌다. 지금은 박물관에 전시되어 있다.
항공대학을 졸업할 무렵, 기계식 계산기(FACIT)가 등장했다. 수를 곱하려면 한쪽으로, 나누려면 반대 방향으로 손잡이를 돌렸다.
교수나 부서장들은 전기식 기계를 사용했는데, 1964년 마르세유 유체역학연구소에서는 이 장비들이 사무실의 고요함을 깨고 기어 소리로 가득 채웠다. 컴퓨터는 계산센터의 창문 너머에서만 보이는 거대한 신처럼 존경받았다. 오늘날 핸드폰 컴퓨터 수준의 성능을 지닌 이 컴퓨터들은 백색 로브를 입은 사제들에 의해 관리되었다. 우리는 기계식 카드 리더기가 시끄럽게 읽는 두꺼운 카드 더미를 통해 컴퓨터와 소통했다. 계산 시간은 매우 비쌌고, 오늘날 젊은이들에게는 신석기 시대 수준이다.
마이크로컴퓨터의 등장은 모든 것을 바꾸었다. 게다가 컴퓨터의 성능이 폭발적으로 증가하면서, 이제 인터넷에는 거대한 방에 가득 채워진 신비로운 검은 상자들이 데이터를 처리하는 모습을 볼 수 있다.
메가플롭, 기가플롭, 테라플롭 등 넘쳐난다. 70년대에는 애플 II의 RAM 내용을 쉽게 읽을 수 있었으며, 이는 작은 책자 형태로 완전히 작성되어 있었다.
우리는 프로메테우스의 세계에 살고 있다. 이러한 현대 도구들이 물리학에 대한 통제력을 향상시키는가? 한 가지 일화를 떠올린다. 프랑스에서 나는 마이크로컴퓨터 분야의 선구자였으며, 애플 II 기반의 최초 센터 중 하나를 운영했다. 그 시절 나는 아르프 프로방스 미술학교의 조각 교수였다. 어느 날, 평면 프린터를 사용해 정교한 원근법 도면을 자유자재로 그리는 시스템을 소개했다. 한 노년의 교수는 눈썹을 찌푸리며 말했다. "컴퓨터가 예술가를 대체할 거라고 말하지 마라."
이것을 비유하면, 거대한 데이터센터를 방문한 동료가 말할 수 있겠다. "컴퓨터가 뇌를 대체할 거라고 말하지 마라."
계산 능력의 폭발적 증가와 다수의 프로세서를 갖춘 시스템에도 불구하고, 우리는 여전히 그에 도달하지 못했다. 그러나 일부 분야에서는 이 시스템들이 우리의 로그표와 계산자들을 쓰레기통으로 보내버렸다. 누가 지금까지 손으로 적분을 계산하겠는가? 수학자들 외에는 누구도 미분 계산을 놀이처럼 다루지 않는다.
오늘날 우리는 '컴퓨터가 모든 것을 해낸다'고 믿는다. 알고리즘을 작성하고, 데이터를 제공하며, 결과를 얻을 때까지 계산을 실행한다. 건물이나 정교한 공학 구조물을 그릴 때는 아주 잘 작동한다. 유체역학 이론 역시 성공이다.
어떤 형태의 표면 요소를 기체 흐름에 수직으로 배치해도, 그 주위의 회전류 흐름을 형상에 관계없이 계산할 수 있다. 이는 실험과 일치하는가? 항상 그런 것은 아니다. 정성적으로는 이 현상을 완전히 이해하고 있다. 예를 들어, 기체 회전으로 인한 항공역학적 저항의 신뢰할 수 있는 값을 계산할 수 있다. 또한 실린더 내 연소 효율이나 공간 내 대류 흐름도 계산할 수 있다. 기상 예보는 며칠 단위로 빠르게 발전하고 있으며, '마이크로 이벤트'를 제외한 대부분의 현상을 다룰 수 있다. 그러나 모든 분야에서 이와 같은 상황인가?
컴퓨터라는 현대의 사냥개가 끌어내지 못하는 몸체들이 있다. 바로 비균형 플라즈마이다. 이들은 모든 분야에서 최고의 자리를 차지한다. 그들은 유체 이론과 비슷해 보이지만, 전자기장에 의해 먼 거리에서 작용하는 힘을 받기 때문에, 시스템 내 구성된 모든 이온 입자를 고려해야만 그 효과를 평가할 수 있다.
어쨌든, "플라즈마를 N체 문제로 간주하면 되지 않겠는가?"라고 말할 수 있겠다. 말은 쉬운데, 실현은 어렵다. 앞서 은하를 충돌이 없는 세계의 예로 들었다. 토카막도 마찬가지이다(ITER는 거대한 토카막이다). 이 안에 들어 있는 기체는 매우 희박하다. 시작 전, ITER의 840m³ 내부 압력은 수 밀리미터 수은보다 낮다. 왜 이렇게 낮은가? 왜냐하면 이 기체를 1억도 이상으로 가열해야 하기 때문이다. 압력은 p = nkT로 표현되며, 여기서 k는 볼츠만 상수, T는 절대온도, n은 1m³당 입자 수이다. 플라즈마의 갇힘은 자기압력에 의존하며, 자기장 세기의 제곱에 비례한다.
5.2테슬라의 자기장 강도에서는 자기압력이 200기압에 이른다. 플라즈마를 갇히게 하기 위해서는 이 값보다 훨씬 낮은 압력이 유지되어야 한다. 초전도 장치를 사용하기 때문에 자기장은 무한히 증가할 수 없으므로, 반응기 내 플라즈마 밀도는 매우 낮은 수준으로 제한된다. 이러한 사실들로부터 우리는 충돌이 완전히 없는, 매크로적 정의가 불가능한 물체임을 알 수 있다. 이를 N체 문제로 다룰 수 있는가? 지금이나 미래에도 꿈꾸기조차 어렵다. 중성 유체역학처럼 국소적으로 계산하는 것은 불가능하다. 각 영역은 전자기장에 의해 모든 다른 영역과 결합되어 있다. 예를 들어 플라즈마 중심에서 벽으로의 에너지 전달 문제를 생각해 보자. 전도와 난류 외에도, '비정상적 운반'이라는 세 번째 메커니즘이 나타난다. 이는… 파동을 이용한다.
요약하자면, 토카막은 이론가에게 진짜 괴로움이다.
플라즈마 자체만이 통제 불능의 행동을 보이는 것이 아니다. 벽에서 발생하는 불가피한 입자 방출도 포함된다. 플라이어를 하는 사람들은 이 장치의 핵심 파라미터인 양력-저항비(비행 거리 대 낙하 거리 비율)를 잘 알고 있다. 일정 속도에서 플라이어의 날개는 일정한 양력을 생성한다. 같은 속도에서 저항력도 발생하는데, 그 원인은 두 가지다. 첫째, 유도 저항:
우리는 어떤 기체 흐름에 대해 그 표면 요소를 수직으로 배치하고, 그 위를 지나가는 회전 흐름 패턴을 계산할 수 있으며, 그 모양에 관계없이 계산할 수 있습니다. 이는 실험과 일치합니까? 항상 그렇지는 않습니다. 정성적으로 우리는 이 현상을 이해할 수 있으며, 예를 들어 이 기체의 회전으로 인해 신뢰할 수 있는 항공역학적 저항 수치를 계산할 수 있습니다. 마찬가지로, 우리는 실린더 내부의 연소 효율이나 밀폐된 공간 내의 대류 흐름을 계산할 수 있습니다. 예측 기상학은 빠르게 발전하고 있으며, 몇 일 단위의 시간 프레임을 제공하지만 "마이크로 이벤트"는 아직 다루기 어렵습니다. 이는 모든 분야에서 해당되는가요?
이 현대적인 말을 조종하는 기계에 갇혀 있기를 거부하는 몇몇 물체들이 있습니다. 이들은 "비평형" 플라즈마로, 모든 범주에서 우승자입니다. 이들은 유체 이론에서 벗어나며, 전자기장에 의해 거리에서 작용하는 것처럼 보이기 때문에, 이들의 행동은 시스템을 구성하는 모든 이온 입자를 고려할 때만 평가할 수 있습니다.
"무엇이든 상관없어,"라고 말하셨습니다. 플라즈마를 N-체 시스템으로 간주하는 것이 충분합니다. 말하기는 쉬우나 실행은 어렵습니다! 우리는 이전에 은하계를 충돌이 없는 세계의 예로 언급했습니다. 토카막은 또 다른 종류입니다(ITER는 거대한 토카막입니다). 토카막이 포함하는 가스는 매우 희박합니다. 시작하기 전에, 840 입방미터의 ITER 내부 압력은 수은의 밀리미터 압력의 일부분보다 낮을 것입니다. 왜 이렇게 낮은 압력인가요? 왜냐하면 이 가스를 1억도 이상으로 가열하려고 하기 때문입니다. 그러나 압력은 p = nkT로 표현되며, 여기서 k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도, n은 입자 수입니다. 플라즈마의 격리는 오직 자기 압력에 의존하며, 이 자기 압력은 자기장의 제곱에 비례해서 증가합니다.
5.2 테슬라의 자기장 강도에서는 자기 압력이 200기압에 해당합니다. 플라즈마의 격리를 위해서는 이 값보다 훨씬 낮아야 합니다. 초전도체 장치를 사용하기 때문에 자기장은 무한히 증가시킬 수 없으며, 따라서 반응기 내부의 플라즈마 밀도는 매우 낮은 수준으로 제한됩니다. 이러한 사실들로부터 우리는 완전히 충돌이 없는 물체를 보게 되며, 이는 어떤 신뢰할 수 있는 거대한 정의에도 해당되지 않습니다. 이는 N-체 문제로 다룰 수 있을까요? 현재나 미래에도 꿈속에서도 불가능합니다. 중성 유체 역학에서처럼 지역적으로 계산할 수 없습니다. 모든 영역은 전자기장에 의해 다른 영역과 연결되어 있습니다. 예를 들어, 플라즈마 중심에서 벽으로의 에너지 전달 문제를 생각해보면, 전도 현상과 난류에 속하는 것 외에도 "비정상적 이동"이라는 세 번째 방식이 있습니다. 이는... 파동을 이용합니다.
요약하자면, 토카막은 이론가에게는 완전한 악몽입니다.
플라즈마 자체가 통제 불가능한 행동을 보인다는 점 외에도, 다른 모든 요소들이 관련되어 있습니다. 그 중 하나는 벽에서 입자들이 제거되는 불가피한 부식입니다. 글라이더를 조종하는 사람은 이 기계의 기본 매개변수인 레프트-토-드래그 비율을 알고 있습니다. 이는 높이를 잃은 미터당 비행한 거리의 수를 나타냅니다(글라이드 비율). 일정 속도에서 글라이더 날개는 특정한 양력이 생성됩니다. 같은 속도에서 저항력도 발생합니다. 이 저항력은 두 가지 원인에서 비롯됩니다. 첫 번째는 유도 저항입니다. 날개 끝에서의 소용돌이로 인한 에너지 손실입니다.
이를 피할 수 있는 방법은 무한한 날개 길이를 가지는 것입니다. 유도 저항을 줄이기 위해 글라이더는 종종 20미터 이상의 긴 날개를 가지고 있으며, 이는 평균 날개 폭에 대한 반 날개 길이의 비율이 20 이상입니다. 두 번째 저항 원인은 점성 저항입니다. 이는 날개 표면을 가장 매끄럽게 하면 줄일 수 있습니다. 매끄러운 표면은 날개 표면 근처의 난류 발생을 지연시킵니다. 이 현상은 기본적인 유체 불안정성으로, 표면의 매끄러움은 이 현상의 발생을 지연시킬 수 있을 뿐입니다. 반대로 이 난류는 교란에 의해 시작될 수 있습니다. 조용한 대기 중에서 연기의 줄기를 보면, 이는 입자 함량으로 색칠된 뜨거운 가스의 상류입니다. 이 연기 줄기는 처음에는 조용하지만, 0.1cm 정도 상승하면 강한 난류 상태가 됩니다. 주변 공기의 조용함과 무관하게 말입니다. 이 상승 흐름에 바늘과 같은 장애물을 넣으면 영구적인 난류를 유발할 수 있습니다. 글라이더 날개 표면의 미세한 거친 부분도 이와 마찬가지로 난류 현상을 유발하며, 이로 인해 공기 저항이 약 100배 증가하여 전체 저항을 증가시킵니다. 현대적인 글라이더에서는 60% 이상의 평면선에서 난류가 없는 유동(비난류, 평행한 층)을 유지할 수 있습니다. 만약 랜드마크에 나방이 충돌한다면, 이 작은 거친 부분은 약 30도 범위 내에서 난류를 유발할 수 있습니다. 이로 인해 경기용 글라이더에서는 비행 경로의 효율이 50 이상인 경우, 이 끝부분을 청소하는 장치가 자동으로 작동하며, 이는 선형 바람 방지판과 유사합니다. 이 장치는 끝부분을 따라 앞뒤로 움직이며, 다시 숨겨진 위치로 돌아갑니다. 항공기의 전체 비행 경로를 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되었습니다. 이는 연료 소비를 줄이기 위한 것입니다. 60년대에, 오를과 디종 사이를 비행할 수 있었던 카라벨레 항공기의 비행 경로 비율은 12였습니다. 현재, 이와 같은 거대한 에어버스 A380의 비행 경로 비율은 20 이상입니다.
즉, 추진력이 없을 때, 4개의 엔진이 정지 상태에서 10,000미터 높이에서 비행할 수 있으며, 200킬로미터 이상을 비행할 수 있습니다.
플라즈마와 토카막으로 다시 돌아가자: 이 기계들에서, 벽에서 분리된 미세한 입자에 의해 미세한 난류가 유발되며, 이는 반응실을 침략합니다. 난류에 대해 말하자면, 범위는 매우 넓으며, 이 미세한 난류에서부터 전체 부피를 포함하는 전자역학적 플라즈마 경련에 이르기까지 확장됩니다.
결론적으로, 엔지니어들은 시스템의 작동에 대해 약한 신뢰도를 가진 근사적인 경험적 "엔지니어의 법칙"을 사용하지 않는 한 기계를 완전히 제어할 수 없습니다. 이 분야에서는 비평형이 왕이며, 측정이 매우 어렵기 때문에 컴퓨터는 도움이 되지 않습니다. 실험만이 유일한 지도자입니다. 또한, 외삽은 예상치 못한 새로운 현상을 발견하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 수직 플라즈마 이동(VDE, Vertical Displacement Event)은 푸텐에 아우 라로스 TFR에서 쿨람 JET으로 크기의 변화가 있을 때 나타났습니다.
NIF(국가 발전 시설, 캘리포니아 리버모어에 위치)의 최근 실패는 세계 최고의 컴퓨터를 사용한 대규모이고 비용이 많이 드는 시설에서 발생한 명백한 실패의 좋은 예입니다. 이는 2010년부터 2012년까지 2년간의 시험 후 NIC(국가 발전 캠페인)의 결론입니다. 이 시스템은 192개의 레이저로 구성되어 있으며, 500테라와트(미국 전력망의 1000배 이상)의 전력을 1초당 수십 나노초 동안, 2mm 직경의 구형 표적에 집중시킵니다. 이 표적은 디테리움-트리튬 혼합물로 채워져 있으며, 이는 2cm 길이와 1cm 직경의 원통형 상자인 홀로라움(독일어로 오븐)의 중심에 삽입됩니다.
이 계획은 다음과 같습니다. 레이저의 반은 원형 빔이 홀로라움의 한쪽을 뚫고, 나머지 반은 반대편의 구멍을 통해 들어갑니다. 이 극한으로 얇은 자외선 빔은 금으로 만들어진 오븐 내부 벽에 충돌합니다. 이 금은 X선을 재방출합니다. 정밀하게 초점이 맞춰진 레이저 빔은 내부 벽에 세 개의 점을 생성합니다. 재방출된 X선은 구형 표적에 충돌합니다. 이는 간접 조사에 해당합니다. 이 시스템은 기본적으로 수소 원자폭탄의 융합 단계를 모방하기 위해 설계되었습니다. 이 경우, X선(이번에는 분열 장치에 의해 생성됨)이 융합 폭발물(리튬 디테리드)을 포함하는 껍질인 아블레이터의 벽에 충돌합니다. NIF에서는 이 마지막 요소는 디테리움-트리튬 혼합물로 대체되었으며, 이는 약 1억도의 온도에서 융합이 시작됩니다. 아블레이터(가늘고 구형 껍질)는 증발하여 내부와 외부 양 방향으로 폭발합니다. 이 역압을 이용하여 표적 중심에 "따뜻한 점"을 생성하고, 관성적 격리 시나리오에서 점화를 시작하려고 합니다.
이 모든 것은 존 린들의 지도 하에 계산되었습니다. 2007년, 마크스 상 수여식에서 이 과학자에 대한 논문은 세부적으로 어떤 일이 일어날지 설명했습니다. 이론가들은 자신들이 너무 확신하여, 린들이 점화가 대규모 실험 시리즈의 시작점이 될 것이라고 주장하는 것을 망설이지 않았습니다. 테스트 관리자도 이와 마찬가지로, 운영 성공을 위한 마감일을 2012년 10월로 정해, 30년간의 이론적이고 기술적인 노력의 정점을 맞이하려 했습니다.
결과는 엄청난 실패였으며, 이는 2012년 7월 19일에 미국 에너지부(D.O.E.)에서 발표된 보고서에 의해 드러났으며, 데이비스 H. 크랜달의 감독 하에 작성되었습니다.
이 보고서에서 주목할 점은, 이 논문과 관련된 연구가 기술적 및 측정적으로 뛰어났음에도 불구하고, 이 실험에서 나온 결과는 계산된 데이터나 가장 강력한 컴퓨터를 사용하여 얻은 예측과 아무런 관련이 없었다는 점입니다.
이 정도로, 일부 관찰자는 이러한 시뮬레이션이 향후 실험에 어떤 투자도 되지 않을 수 있다는 의문을 제기했습니다.
NIF 위기는 명백합니다. 비용 문제로 인해 레이저 수를 늘릴 수 없습니다. 또한, 그들의 단위 전력도 증가할 수 없습니다. 사실, 에너지가 충분히 공급되면, 유리의 균일성과 품질에 관계없이 폭발할 가능성이 있습니다.
점화와 관성적 격리 융합을 시작하려면, 압축 속도는 최소 370km/초여야 합니다. 이 속도는 달성되지 않았을 뿐만 아니라, 더 심각한 문제는, 아블레이터 장치를 구성하는 껍질이 플라즈마로 변하고, D-T 함량을 밀어내는 동안, "피스톤은 연료와 혼합된다"는 것으로, 레이일리-테일러 불안정성이라는 잘 알려진 불안정성으로 인해 발생합니다. 이 영향을 최소화하기 위해, 아블레이터를 두꺼워야 합니다. 하지만 그러면 관성도 증가하고, 압축 속도의 임계값을 다시 달성할 수 없습니다.
컴퓨터에서 수행된 시뮬레이션은 모든 분야에서 잘못된 결과를 제공했습니다. D.O.E. 보고서에 따르면, 레이저와 벽의 상호작용(엑스선이 금 벽에 충돌하는 것) 모델링은 수십 년간의 연구와 수백 개의 논문과 학위 논문에도 불구하고 만족스럽지 못합니다. 엑스선 빔과 금 플라즈마(실린더 내부의 벽에서 기화된 금에서 유래) 간의 상호작용도 마찬가지입니다. 이는 "역 라만 산란"이라는 법칙에 따라 이루어집니다. 엑스선 방사선과 아블레이터의 상호작용도 올바르게 시뮬레이션되지 않았습니다. 마지막으로, 계산 알고리즘(LASNEX)은 레이일리-테일러 불안정성의 영향을 완전히 과소평가했으며, 아블레이터와 디테리움-트리튬 접촉 표면의 변형은 장의 줄기와 유사하게 보입니다.
이러한 실수들은, 이러한 기계들이 비평형 문제, 특히 비선형 문제를 직접적으로 공격하려 할 때, 뛰어난 시뮬레이션 결과에 대해 설정할 수 있는 신뢰 한계를 보여줍니다. 이 문제에서는 잘 모델링되지 않은 여러 메커니즘이 게임에 영향을 미칩니다.
장 피에르 페티