과학과 과학자를 생각할 때, 일반적으로 가장 많이 떠올리는 인물과 이론은 바로 아인슈타인과 상대성이론일 것이다. ‘E=mc
그만큼 아인슈타인과 그의 상대성이론은 위대한 발견이다. 하지만 정작 상대성이론이 무엇을 의미하는지, 어디에 사용되는지를 알고 있는 사람은 많지 않다. 이는 기본적으로 우리가 눈으로 보지 못할 만큼 빠르거나 상상할 수 없을 만큼 거대한 세계에서나 일어나는 현상들이기 때문이다.
하지만 최근 과학자들에 의해 우리에게 매우 가까운 곳에서 상대론적 효과가 나타나고 있다는 것이 발견돼 관심을 끌고 있다. 그것은 다름 아닌 자동차 배터리. 거대한 우주와 빛의 속도 등을 설명할 때나 거론될 듯한 상대성이론이 흔히 보이는 자동차 배터리의 원리 안에 숨겨져 있다니 놀랄만한 일이다.


납축전지, 상대론적 효과로 80~98%의 동력 얻어


자동차 배터리는 상대론적 원리에 따라 매우 높은 비율의 에너지를 얻는다. 놀라운 점은 자동차 배터리로 사용되는 납축전지가 상대성 이론이 발표되기 약 50여 년 전에 이미 발명됐다는 것이다. 즉 발명자조차 모르는 원리로 그 안에선 상대론적 효과가 발생했고 우리는 이를 사용하고 있었다는 이야기다.
스웨덴 웁살라(Uppsala)대의 라제에브 아후자(Rajeev Ahuja), 안드레아 브룸비스트(Andreas Blomqvist) 교수, 핀란드 헬싱키대의 페카 피코(Pekka Pyykko), 파트릭 잘레스키 에기에르트(Patryk Zaleski-Ejgierd) 교수는 최근 미국 물리학회지인 ‘Physical Review Letters’를 통해 2.1V의 전압을 내는 납축전지의 동력 중 약 80~98%를 차지하는 1.7~1.9V가 상대론적 효과에 의해 유래한다고 밝혔다.
납축전지를 주로 구성하는 물질인 납은 이미 잘 알려진 중금속이다. 이처럼 무거운 원자의 내부에선 특별한 일이 발생해 상대론적 효과가 나타날 수 있다. 연구진은 시뮬레이션을 실행해 이와 같은 결론을 내렸으며 납과 비슷한 물질인 주석을 이용한 배터리가 있다고 가정한 시뮬레이션을 통해서도 상대론적 효과를 다시 한 번 확인했다.


상대론적 질량 증가로 수축현상 발생



원자의 구조는 간단하게 중심에 원자핵이 위치하고 그 주위에 전자구름이 퍼져있다고 알려져 있다. 전자들은 원자핵 주위를 돌고 있지만 미시세계에서 나타나는 불확실성 때문에 정확한 위치를 규명할 수 없으며 다만 확률로써만 계산하기 때문에 ‘전자구름’이라 부른다. 일반적인 물질 안에서 전자는 빛의 속도보다 매우 낮은 속도를 가지고 운동한다.
상대론적 효과는 빛의 속도에 근접해야 눈에 띄게 나타나기 때문에 일반적인 물질들에서는 찾아볼 수 없다. 하지만 납과 같은 무거운 원자라면 얘기가 달라진다. 무거운 물질의 원자핵은 그만큼 전자에 강한 인력을 미치게 되며 이 때문에 전자는 일반적인 경우에 비해 더욱 빠른 속도로 운동하게 된다. 이 때, 전자의 속도가 빛의 속도에 가까워지며 이로써 상대론적 효과가 발생하게 되는 것이다.
특수상대성이론에 따르면 빠르게 움직이는 물체는 시간이 천천히 가며 길이가 수축하고 질량이 커지는 효과를 띄게 된다. 특히 빛의 속도에 근접할수록 이 효과는 크게 나타난다. 가장 일반적인 예로는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속·충돌시키는 실험을 진행하는 입자가속기에서 입자의 속도가 빨라질수록 상대론적 질량이 증가하는 현상을 들 수 있다.
납 원자핵 주위에서 운동하는 전자들은 이처럼 빛의 속도로 운동하기 때문에 상대론 효과를 받아 일반적인 전자보다 매우 큰 질량을 가진 것처럼 행동한다.
원자핵 주변을 도는 전자처럼 각운동을 하는 물질들은 각운동량이 보존되는데 이 때문에 질량이 커진 듯 행동하는 전자의 궤도는 수축하게 된다.
연구진은 “이와 같은 현상이 납축전지가 상대론 효과를 생각하지 않았을 때에 비해 더욱 많은 에너지를 낼 수 있게 한다”고 밝혔다. 또한 “이와 같은 ‘상대론적 효과로 인한 수축’이 무거운 금속이 노란빛을 띈다든가 수은이 상온에서 액체 상태로 존재하는 것 등도 설명할 수 있다”고 밝혔다.


배터리에 적합한 금속은 따로 있어



납축전지의 양극 전극은 이산화납, 음극 전극은 금속성 납으로 이뤄져 있으며 황산을 전해질로 에너지를 저장하게 된다. 이 때, 이산화납과 화학반응을 통해 생성되는 황산납에서 상대론적 효과가 발생하게 된다. 이에 착안해 연구진은 납에서 발생하는 상대론적 효과를 제외하고 황산으로 인해 생성되는 에너지를 시뮬레이션을 통해 측정해 전체 에너지와 비교했다. 그 결과 전체 에너지 2.1V에서 1.7V의 차이가 발생하는 것을 확인했는데, 이는 대부분의 에너지가 상대론적 효과로 인해 얻어진다는 것을 말해준다.
이와 같은 결론을 더욱 확실하게 증명하기 위해 연구진은 납 대신 주석을 이용한 시뮬레이션을 실행했다. 주석은 납과 같은 족에 속하는 물질이기 때문에 화학적 성질이 매우 비슷하다. 다만 납에 비해 질량이 적다.
시뮬레이션 결과, 납에서 보이는 상대론적 효과로 인한 수축이 주석에서는 납의 경우에 비해 매우 작게 나타나는 것을 확인했다. 물론 그로부터 발생하는 전압은 현재의 납축전지처럼 자동차 배터리로 사용하기엔 부족한 양이라는 것도 확인했다. 주석의 질량이 전자들을 빛에 가까운 속도로 움직이게 해서 수축시킬 만큼 크지 않다는 것이 연구진의 설명이다.