실제로 고양이가 액체일까 고체일까 고민해 본 연구자가 있다. 게티이미지뱅크 제공

혹시 인터넷에서 ‘고양이 액체설’이라는 밈(meme)을 봤는가. 고양이가 마치 액체처럼 질질 흘러내려 문과 서랍 틈을 통과하고 그릇에 담기는 내용의 밈이다. 농담으로 웃고 넘길 수도 있겠지만 실제로 고양이가 액체일까 고체일까 고민해 본 연구자가 있었다. 그의 고민은 당연히 이그노벨 물리학상을 받았다.

정말 고양이가 액체처럼 행동할까. 고양이에 관한 기반 지식이 없는 기자는 먼저 고양이 집사 경력 20여 년차인 베테랑 동료 기자에게 물어보기로 했다.

“집사가 볼 때 고양이는 액체입니까?”

동료기자는 “초등학교에서 액체와 고체를 구분하는 기준이 그릇에 담았을 때 모양이 바뀌냐 아니냐로 배웠다. 그 기준으로 보면 고양이는 액체”라고 대답했다. 그러면서 “고양이마다도 물리적 특성이 다른 것 같다”며, “보통은 첫째 솜이가 액체고 둘째 사탕이가 고체에 가깝다”고 부연했다.

동료 기자의 고양이인 솜(위)과 사탕(아래). 솜은 액체 형태를 유지하고 있다. 과학동아 제공

● 유변학자, 고양이의 점탄성을 사유하다

동료 기자와 비슷한 생각을 2014년 인터넷의 ‘고양이 액체설’ 관련 논쟁을 보던 마크-앙투안 파르딘 당시 프랑스 리옹대 물리학연구소 연구원도 떠올렸다. 유변학자였던 파르딘 연구원은 곧 실제로 고양이가 액체일 수 있을까 고민하기 시작했다.

먼저 대부분의 사람들에게 생소할 ‘유변학(rheology)’을 소개하고 넘어가자. 유변학은 물질이 흐를 때 어떻게 변형되는지에 관해 연구하는 물리학의 하위 학문이다. 유변학이라는 이름 자체가 고대 그리스의 철학자 헤라클레이토스의 말인 “모든 것은 흐른다”의 그리스어 표현 ‘판타 레이’에서 따온 것이기도 하다.

고전 물리학에서는 고체에 작용하는 힘은 ‘탄성’이라는 특성으로 액체와 기체의 흐름은 ‘점성’이라는 특성으로 설명했다. 그런데 세상 물질이 고체와 액체, 기체로 칼같이 나뉘는 것은 아니다.

실제로 고분자 물질(예: 플라스틱)이나 콜로이드 용액(예: 녹말 용액) 등 많은 물질은 점성과 탄성을 동시에 가지고 있다. 이를 ‘점탄성’이라 부르며 유변학은 점탄성을 통해 다양한 물질의 흐름을 연구하는 학문이다.

생소할 수도 있겠지만 유변학이 다루는 물질은 무한히 많다. 예를 들어 플라스틱, 페인트, 고무 등 각종 고분자 복합재료로 물건을 만드는 공장에서는 물질의 흐름이 공정에 중요한 영향을 미친다.

의학에서도 마찬가지로, 인공 장기를 만들 때 눈물이나 혈액의 점탄성 측정은 매우 중요하다. 의외로 유변학이 가장 큰 영향을 미치며 발달한 분야는 식품 산업계다. 케이크 반죽부터 케첩과 마요네즈까지, 식품계에는 온통 끈적거리며 흐르는 물질 천지이기 때문이다.

2015년 물리학상 고양이의 유변학에 관하여. 과학동아 제공

● 고양이는 (보기에 따라서) 정말 액체다

파르딘 연구원은 우선 고양이의 ‘데보라 수(deborah number)’를 측정해 고양이의 물성을 검증하기로 했다. 유변학에서 쓰이는 핵심 개념인 데보라 수를 쉽게 말하면 물질이 외부에서 받은 힘에 대한 반응으로 변화하는 시간(이완 시간)을 물질을 관찰하는 시간으로 나눈 수이다. 지켜보는 시간 동안 얼마나 많이 변하는지의 비라고 생각할 수 있다.

만약 와인을 잔에 흘려보내면(외부에서 힘을 줬을 때) 와인은 금방 잔의 모습대로 담긴다(변화가 빠르게 일어난다). 변화 시간이 관찰 시간보다 훨씬 적기 때문에 데보라 수는 1보다 적어지고 이때 이 물질은 액체에 가깝다고 본다.

반대로 데보라 수가 1보다 커질수록 물질은 고체에 가까운 특성을 가진다. 반쯤 녹은 플라스틱을 와인 잔에 담았다고 생각해보라. 와인 잔의 모습대로 담기는 데 훨씬 오랜 시간이 걸릴 것이다.

파르딘 연구원은 인터넷에서 여러 고양이 사진과 영상을 찾아본 후 고양이의 이완 시간이 1초~1분 사이라 결론내렸다. 관찰 시간에 따라 고양이는 유변학에서 말하는 액체의 특성을 충분히 보여줬다.

또한 파르딘 연구원은 겁을 쉽게 집어먹는 아기 고양이보다 아무 곳에나 뻔뻔하게 드러눕는 나이든 고양이들이 훨씬 액체에 가까운 특성을 보여준다고도 했다. 보통 사람의 추측은 물론, 유변학의 정의에서도 고양이가 액체가 될 수 있음을 보여준 것이다.

파르딘 연구원의 논문은 유변학이라는 학문의 방법론을 극한까지 적용하면 어떤 결과를 도출할 수 있는지 알아보는 학문적 농담이다. 유변학의 관점에서 변수를 어떻게 측정하고 적용하느냐에 따라, 사람들의 고정관념과는 달리 고양이는 정말로 액체의 성질을 띨 수 있다.

이는 유변학자의 고상한 유머이기도 하지만 사람들에게 유변학의 시각으로 세상을 새롭게 보는 기회가 되기도 한다. 이 논문이 아니었다면 누가 고양이 액체설을 과학의 관점에서 검증했을까.

넘치는 재기와 세상을 새롭게 볼 기회를 갖게 해준 공로로 파르딘 연구원은 2017년 이그노벨 물리학상을 수상했다. 결국 이그노벨상 위원회도 헤라클레이토스의 오래된 주장을 받아들인 셈이다. 세상 모든 물질은 정말로 흐른다. 때로는 고양이마저도 말이다.

2021년 생물학상 고양이 울음의 의미. 과학동아 제공

● 고양이는 어떤 말을 할까

과학자들의 고양이에 대한 애정은 엄청나다. 고양이는 언제나 많은 과학자들의 인기를 독차지한 생물이었다. 물론 고양이가 직접 실험 동물로 쓰이는 일은 별로 없었는데 그 한 가지 이유는 사람의 말을 듣지 않기 때문이다.

이해하지 못하는 게 아니다. 2019년 아츠코 사이토 일본 도쿄대 인지행동과학과 교수팀은 고양이 카페에서 78마리의 고양이를 대상으로 이름을 부르며 실험해 고양이들이 자신의 이름을 알아 듣지만 단지 무시한다는 연구 결과를 발표하기도 했다. (doi: 10.1038/s41598-019-40616-4)

그럼에도 불구하고 고양이를 향한 일방적 사랑을 증명이나 하듯 고양이에 관한 수많은 연구가 나오고 있다. 이그노벨상에서도 마찬가지다. 주잔네 쇠츠 스웨덴 룬드대 음성학 교수가 이끄는 연구팀은 고양이의 음성을 꾸준히 연구한 공로로 2021년 이그노벨 생물학상을 받았다.

쇠츠 연구팀이 관심을 기울인 분야는 인간과 고양이가 상호작용할 때 고양이가 내는 소리다. 고양이 집사였던 쇠츠 교수는 2010년부터 키우던 고양이의 울음 소리에 관심을 가졌다.

그는 곧 다양한 고양이의 울음 소리를 수집하고 분류하는 작업을 했고 2016년부터 2022년까지 고양이가 내는 소리를 상황에 맞게 음성학적으로 분석하는 ‘Meowsic(뮤우직)’ 프로젝트를 진행했다. 그 결과 사람처럼 고양이도 기분 좋을 때는 짧고 상승하는 야옹 소리를 내고 기분이 나쁠 때는 길고 낮은 야옹 소리를 낸다는 사실을 밝혀냈다. (doi: 10.5281/zenodo.3245999)

10년 넘게 같은 프로젝트를 진행하는 끈기는 고양이를 좋아하는 마음이 아니면 쉽사리 갖기 어렵다. 아마도 가장 가까운 곳에 있는 사랑하는 고양이의 말을 알아듣고 싶은 마음이 쇠츠 교수의 원동력 아니었을까. 지금도 세계에서는 수많은 연구자들이 고양이를 향한 애정으로 연구를 지속하고 있을 것이다.

이창욱 기자 changwooklee@donga.com

2019년 인류 최초로 관측한 M87 블랙홀. EHT 제공

국내 연구팀이 참여한 국제 공동 연구팀이 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도를 추정하는 데 성공했다.

한국천문연구원(천문연)은 천문연이 참여한 국제 공동 연구팀이 M87 블랙홀로부터 멀리 떨어진 제트의 자기장 정도를 최초로 추정해 학술지 ‘천문학 및 천체물리학’에 5월 24일 게재했다고 30일 밝혔다.

M87은 지난 2019년 사건지평선망원경(EHT)으로 인류 사상 최초로 관측한 블랙홀이다. 천문학계는 블랙홀로부터 방출되는 제트(JET)의 형성에 자기장이 큰 영향을 미칠 것이라 추측했다. 제트는 블랙홀이 주변의 강력한 자기장, 부착원반과 상호 작용하며 방출될 것으로 추측되는 기체·액체의 빠른 흐름을 말한다.

지금까지 제트의 자기장 강도는 제트의 밀도가 높은 블랙홀 근처에서만 제한적으로 추정 가능했다. 연구팀은 이번 연구를 위해 한일공동 우주전파관측망(KaVA)을 활용했다. KaVa는 한국 천문연의 한국우주전파관측망(KVN)과 일본국립천문대 일본우주전파관측망(VERA Array)이 공동으로 운영하는 전파망원경 7개로 구성된 우주전파관측망이다.

연구팀은 제트가 방출되는 과정에서 제트 내의 플라즈마가 냉각되는 ‘싱크로트론 복사냉각 현상’을 분석해 자기장 강도를 추정했다. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 반비례한다. 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장의 강도를 추정할 수 있다.

그 결과 블랙홀로부터 약 2~10광년 떨어진 거리에서의 제트 자기장 강도가 0.3~1가우스(Gauss)인 것으로 추정했다. 약 0.2~0.65가우스인 지구 자기장과 비교해보면, 자기장이 블랙홀 중심부에서부터 약 10광년 거리까지 방출되는 동안에도 외부 요인에 의해 크게 소실되지 않았음을 의미한다.

연구에 참여한 노현욱 박사후연구원은 “향후 제트 자기장의 전반적인 분포를 파악하고 기존 제트 이론 연구와 비교해 제트 형성 기작을 검증해나갈 것”이라고 밝혔다.

삼각격자 구조 물질에서 양자 상태가 구현된다는 점이 입증됐다. 게티이미지뱅크 제공.

국내 연구진이 세계 최초로 기존의 벌집 구조가 아닌 삼각격자 구조 물질에서 새로운 양자상태를 발견하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부(과기정통부)는 박제근 서울대 물리학과 교수와 김성진 이화여대 화학생명분자과학부 교수가 이끈 연구팀이 삼각격자 구조 자성 반데르발스 물질에서 새로운 양자상태를 발견해 학술지 ‘네이처 피직스’에 29일 발표했다고 밝혔다.

연구팀은 벌집 구조를 가진 물질에서 나타나는 양자 현상인 ‘키타예프 모델’이 삼각격자 구조를 가진 물질에서도 나타날 수 있음을 밝혔다. 이론적으로는 알려진 사실이지만, 실제로 구현된 적은 지금까지 없었다.

키타예프 모델은 오류가 없는 양자컴퓨터를 구현할 수 있는 양자상태를 가진다. 수많은 국내외 연구진이 키타예프 모델을 구현하는 데 관심을 갖고 연구를 지속하는 이유다.

연구팀은 자성 물질에 대해 연구하던 중, 기존 연구에 사용하던 물질인 니켈(Ni)을 코발트(Co)로 치환할 경우 키타예프 모델이 구현될 수 있는 여러 가지 조건을 만족한다는 사실을 알아냈다.

연구팀이 사용한 아이오딘화 코발트(CoI2)는 반데르발스 물질이다. 반데르발스 물질이란 두 비극성 분자가 서로 가까워지다가 달라붙는 반데르발스 결합으로 이뤄져 있는 물질을 말한다. 약한 반데스발스 결합으로 이뤄지 물질은 2차원 상태의 얇은 층으로 분리할 수 있다.

연구팀은 일본 J-PARC 중성자 시설에서 CoI2의 비탄성 중성자 산란 실험을 진행했다. 중성자를 CoI2에 입사한 후 CoI2와 중성자 간의 비탄성 충돌을 관측해 물질의 격자와 스핀파(spin wave) 등을 측정한 것이다. 스핀파의 운동량-에너지 관계를 측정하면 자성체의 상호작용에 대해 밝혀낼 수 있다. 이를 통해 연구팀은 2차원 삼각격자에서 키타예프 모델이 구현됨을 알아냈다.

양자 컴퓨터에 활용할 수 있는 키타예프 모델을 2차원 자성 반데르발스 삼각격자 물질에서도 구현할 수 있음을 밝혀낸 건 이번이 처음이다. 박 교수는 “2차원 물질에서 양자 얽힘이 있는 양자 상태를 발견한 것은 매우 중요한 연구 성과”라고 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 기초연구사업 지원으로 수행됐다.