자크 벤베니스테의 사망 6개월 후,
CNRS가 자크 벤베니스테의 연구에 대한 견해
2005년 3월 8일
서문:
2010년 5월 10일.
한 독자가 나에게 루크 몬타니에가 고인 자크 벤베니스테를 찬양하는 방송 프로그램의 일부를 보내왔다.
2007년 루가노에서 노벨 의학상 수상자인 루크 몬타니에 교수
그는 결코 회피하지 않고 자크 벤베니스테가 시대를 앞서가는 위대한 선구자였으며, 그의 견해가 언젠가 옳음이 입증될 것이라는 확신을 밝혔다.
나는 그 시절, 인세르姆의 총괄 책임자 라자르가 자크에게 클라마르의 인세르姆 200에 있는 200제곱미터의 실험실을 몰수했을 때를 기억한다. 그 결과 자크는 결국 실험실을 떠나 알제코(Algeco)라는 철거 가능한 건물에 이사하게 되었고, 그건 정말 끔찍한 일였다.
나는 자크에게 수차례 말했다. "포기해, 네가 그 일로 목숨을 잃을 거야!" 그러나 그는 끝까지 붙잡고, 끝까지 붙잡아, 마지막 숨을 쉬는 순간까지, 마음이 찢어지는 고통 속에서도 끝까지 버텼다.
내 연구 경력도 비슷한 양상을 보였고, 나는 오직 끊임없는 포기의 연속 덕분에 목숨을 건질 수 있었다. 1972년 MHD 연구 포기(1967년 마르세유 유체역학 연구소에서 국제적으로 선도적인 실험실을 가져온 후 포기), 1983년 정보학 연구 포기(프로방스 대학 정보기술부 부국장이었음), 1979년 문학·수학 교육(구면의 역전, '파리에 대한 과학'에 게재), 1975-1986년 MHD 연구 재개, 1990년 만화 출판사에서의 만화 출판 포기, 2000년대 초에 이집트학 연구 포기. 현재는 천문학, 우주론, 수학 물리학 분야에서 거의 포기하거나 심각한 중단 상태로, 긍정적인 반응이 없기 때문이다(1985-2008년).
현재는 '지식의 경계 없음' 프로젝트와 책 및 만화의 재출판으로 다시 도약 중이다. MHD와 외계인 현상(UFO) 관련 활동은 거의 포기 상태다. 아래는 2010년 5월 기준 롭쉐프에서 조립 중인 MHD 실험실 사진이다:
이건 자크의 인세르姆 정원에 있던 알제코 실험실의 스타일과 비슷하지만, 이건 내가 직접 관리하는 것이 아니라 40대의 용감한 기술자가 맡고 있다. 베르나르 파리시처럼 나는 내 가구를 태우지 않을 것이다.
프랑스 최첨단 MHD, 비평형 상태의 MHD, '이온 온도를 가진 플라즈마'를 다루는 연구는, 비르누스 2008년, 브레멘 2009년과 같은 국제 회의에서 세계 최정상에 서게 해주는 연구다. 이 연구가 바로 그것이다!
이게 웃기지 않았다면, 정말 슬픈 일이다.
2010년 5월 몬타니에 인터뷰 음성 파일
물리학의 해를 맞아, 'CNRS 뉴스레터'는 과학 분야에서 해결되지 않은 10가지 문제를 다룬 보고서를 발행했다. 그 중 하나는 물의 구조, 즉 모든 상태에서의 물의 구조이다. 아래는 그 보고서의 복사본이다.
지구 표면에 널리 퍼져 있는 물은 여전히 미스터리다. 자연 상태에서 압력과 온도가 보통 조건인 지표면에서 존재하는 유일한 액체이다. 다른 액체들은 모두 물과 다른 화합물의 혼합물이다. 이러한 독특함을 앞에 두고, 물리학자들은 '비정상적인 액체'라고 말한다. 더 구체적으로 말하면, 물은 세 가지 주요 특성을 지니고 있으며, 이로 인해 독특한 존재가 된다.
조제 테이셰이라(Laboratoire Léon Brilouin 소속 연구원)는 이렇게 설명한다. "물의 구조는 아르곤과 같은 이상 유체와 매우 다르며, 우리가 연구 모델로 삼는 유체와도 다르다. 또한 자연에 존재하는 다른 분자들과 비교했을 때, 물의 행동은 여전히 우리에게 미스터리다." 또한 '비정질 매질 물리 및 기계학 연구소'의 베르나르 카바네는 이렇게 덧붙인다. "산소 바로 다음에 오는 원소를 보면, 물은 화학식으로 H₂O이며, 산소 원자가 두 개의 수소 원자와 결합한다. 이를 바탕으로 실온에서 물이 어떤 형태를 띠는지 알아내려면, 한 분자(H₂O)가 인접한 다른 분자의 산소 원자와 결합할 수 있다는 점을 고려해야 한다. 평균적으로 한 물 분자는 네 개의 다른 분자와 결합한다." 조제 테이셰이라는 이 분자 배열이 물의 중요한 특성의 일부를 설명한다고 덧붙였다. 그러나 수소 결합의 형성과 파괴 방식도 고려해야 한다.
현재 물리학자들은 수소 결합이 끊임없이 형성되고 파괴됨을 관측했다. 평균적으로 각 결합은 10⁻¹²초 정도의 수명을 갖는다. 수많은 결합이 형성되며, 결합이 생기기 위해서는 관련된 세 원자가 완벽히 일직선으로 정렬되어야 한다. 그런데 이 세 가지 특성을 모두 갖는 액체는 물뿐이다. 아마도 이 특성이 물의 유명한 이상 현상들을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. 한편, 수소 결합이 충분히 강하기 때문에 물은 실온에서 기체가 아니다. 따라서 물은 매우 높은 응집력을 지닌다. 결과적으로 이러한 결합을 끊기 위해 많은 에너지가 필요하며, 이로 인해 끓는점이 100도에 이른다. 반면, 수소 결합은 여전히 약하기 때문에 실온에서 고체가 되지도 않는다.
조제 테이셰이라에 따르면, 수소 결합의 역학을 더 깊이 이해하지 않으면 물을 진정으로 이해할 수 없다. 베르나르 카바네도 이와 같은 방향으로 말한다. "물의 행동을 현실적이고 예측 가능한 모델로 만들기 위해선 여전히 많은 정보가 부족하다. 분자 간 결합의 성질을 알고 있지만, 고립된 한 분자가 단지 주변의 가장 가까운 분자들과만 상호작용하는 것이 아니라, 더 멀리 있는 분자들과도 상호작용하는 방식을 알지 못하면, 모델은 성립하지 않는다." 현재의 수치 시뮬레이션도 이 말에 동의한다. 실제로 물의 세 가지 주요 이상 현상을 동시에 설명하려고 하면, 모델은 한두 가지만 재현할 뿐, 세 가지를 동시에 재현하는 것은 불가능하다.
수소 결합은 동일하거나 다른 분자 사이에 형성될 수 있다. 수소 원자가 전하가 부족한 상태에서 결합이 형성된다. 그러나 물리학자들은 이 미스터리를 풀기 위해 다양한 아이디어를 제시하고 있다. 이를 위해 그들은 차가운 상태에서의 물의 구조를 연구하고 있다. "수소 결합은 0도 이하에서 더 안정적이다." 조제 테이셰이라는 설명한다. "따라서 물이 -40도까지 냉각되는 과정을 따라가면, 액체 상태의 물을 더 잘 이해할 수 있다." -40도까지 액체 상태인가? 네, 단지 불순물이 완전히 제거된 경우에만 가능하다. 그렇지 않으면 즉시 결정화된다. 과학자들은 이를 '과냉각'이라 부른다(상태도를 참조). 이 현상은 톨루엔, 갈륨, 녹은 실리카 등 다른 액체에서도 관찰된다. "현재까지 물의 과냉각 기록은 -42도이며, 대기 중 일부 구름에 존재하는 과냉각 물보다는 약간 나은 수준이다." 에르생 대학 통계물리학 연구소의 프레데릭 카핀은 말한다. -40도 이하에서는 물 분자의 열적 운동만으로도 액체가 얼음으로 변하는 것으로 보인다. 이 온도를 넘어서면, 액체 상태의 물의 수명은 극도로 짧아진다. 물리학자들은 더 이상 이를 관측할 수 없다.
-130도 근처에서는 또 다른 흥미로운 현상이 나타난다. 물이 충분히 빠르게 냉각되면, 이 온도에서 '무정형 얼음'으로 변한다. 즉, 유리와 같은 구조를 갖는다(16쪽 참조). 연구자들은 이렇게 결론을 내린다. "우리는 -40도에서 -130도 사이의 물의 구조에 대해 아무것도 모른다." 연구자들은 이 구역을 유쾌하게 '미지의 땅(no man’s land)'이라 부른다. 1984년, 물리학자 미시마, 캘버트, 홀리가 일반 얼음을 극저온에서 압축하여, 첫 번째보다 더 밀도가 높은 두 번째 무정형 얼음을 발견했다. 이 발견은 오래된 이론을 다시 부각시켰다. 실제로 1892년, 룬트겐은 물이 액체와 얼음의 혼합물일 수 있다고 추측했다. 오늘날 일부 연구자들은 두 종류의 무정형 얼음을 발견한 것을 중요한 단서로 보고 있다. 즉, 저온에서는 물이 낮은 밀도와 높은 밀도의 두 액체 혼합물일 수 있다는 것이다. 그러나 이 아이디어에 대해 조제 테이셰이라는 약간 회의적이다. 그는 여전히 수소 결합이 원인일 수 있다고 제안한다. 그러나 '미지의 땅'은 측정이 불가능한 상태이기 때문에, 어떤 방식으로든 판단할 수 없다. 해결책은 무엇인가? '공진현상 실험(cavitation)'을 개선하는 것이다. 이 실험은 실온에서 진행되며, '음압'이라 불리는 압력 조건에서 이루어진다.
이 실험은 초음파를 이용해 액체 상태의 물에 최대 인장력을 가해, 첫 번째 기포가 생기기 전까지 얼마나 견딜 수 있는지를 측정한다. "우리의 희망은 -1400기압에 도달하는 것이다." 프레데릭 카핀은 말한다. "그렇다면 물의 구조에 대한 새로운 정보를 얻어, 일부 가설을 배제할 수 있을 것이다." 그러나 지금은 이러한 실험이 매우 어려운 상황이다. 물의 정제 기술에 더 많은 발전이 필요하다. 인내심을 갖고 기다려야 한다. 줄리앙 부르데는, 물의 미스터리가 앞으로도 수년간 연구자들을 골치 아프게 할 것이라고 말한다. 물의 미스터리를 풀기 위해 물리학자들은 공진현상 실험(이곳에서는 수력터널에서 수행됨)에 기대고 있다. 여기서 물의 증기 기포가 나타난다.
물의 주요 이상 현상 세 가지는 다음과 같다.
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매우 강한 응집력으로 인해 융점과 끓는점이 높다.
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높은 유전율로 인해 모든 염류를 용해할 수 있다.
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낮은 온도(4도 이하)에서 큰 부피 팽창과 결정화 시에도 동일한 현상이 나타난다.
과냉각된 물처럼, 과열된 물도 존재한다. 즉, 100도 이상에서도 액체 상태를 유지할 수 있다. 폭발적인 기포의 형성은 '공진현상'이라고 불린다. 압력이 떨어지는 것은 물을 가열하는 것과 같다. 연구자들은 물을 늘려(음압이라고 표현함) 첫 번째 증기 기포가 나타나는 순간을 관찰한다.
줄리앙 부르데
연락처
베르나르 카바네: bcabane @ pmmh.espci.fr
프레데릭 카핀: caupin @ lps.ens.fr
조제 테이셰이라: teix@ Ilb.saclay.cea.fr
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