생각보다 쉽게 받은 노벨 물리학상 이야기 (카이스트 물리학과 김갑진 교수)(2부)
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📅 정리 일자: 2026-07-19
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개요
이 강연은 “온도를 낮추면 전기저항은 어떻게 될까”라는 단순한 질문이 어떻게 초전도, BCS 이론, 양자 터널링, 그리고 오늘날의 양자컴퓨터로 이어졌는지를 따라간다. 김갑진 교수는 노벨 물리학상이 언제나 난해한 수식에서만 출발하는 것이 아니라, 때로는 누구나 물어볼 수 있는 질문을 끝까지 밀고 간 결과로 등장한다고 설명한다. 특히 초전도 연구의 역사는 기존 이론이 현상을 설명하고, 다시 새로운 실험이 그 이론의 경계를 깨뜨리며, 그 틈에서 다음 세대의 질문이 태어나는 과학의 전형적인 모습을 보여준다.
저항이라는 이상한 현상에서 출발한 질문
강연의 출발점은 전기저항이다. 우리는 학교에서 전압, 전류, 저항의 관계를 Ohm의 법칙으로 배운다. 전압을 걸면 전류가 흐르고, 그 흐름은 저항에 의해 제한된다는 설명은 익숙하다. 그러나 김갑진 교수는 이 익숙한 법칙을 조금만 들여다보면 이상한 점이 드러난다고 말한다. 전압이 전자에 힘을 가한다면, Newton 역학에 따르면 전자는 계속 가속해야 한다. 그렇다면 전류도 시간이 갈수록 계속 커져야 할 것 같지만, 실제 회로에서는 일정한 전류가 흐른다.
이 모순을 설명한 인물로 강연자는 Paul Drude를 소개한다. Drude의 설명에 따르면 전자는 물질 내부를 지나가며 원자들과 계속 충돌한다. 전압이 전자를 밀어 가속하려고 해도, 내부 충돌이 그 움직임을 방해하기 때문에 전자는 무한히 빨라지지 않는다. 김 교수는 이를 빗방울의 종단속도에 비유한다. 빗방울도 중력 때문에 계속 빨라져야 할 것 같지만, 공기저항과 균형을 이루면 일정한 속도로 떨어진다. 물질 내부의 전자도 마찬가지로, 전압이 주는 힘과 산란이 만들어내는 저항 사이에서 일정한 평균 속도를 갖게 된다는 것이다.
이 설명이 받아들여지자 다음 질문이 자연스럽게 등장했다. 온도를 낮추면 저항은 커질까, 작아질까. Lord Kelvin은 온도가 낮아지면 전자들이 마치 얼어붙은 것처럼 움직이지 못해 저항이 커질 것이라고 생각했다. 반대로 Heike Kamerlingh Onnes는 원자들의 열적 진동이 줄어들면 전자가 덜 부딪히므로 저항이 줄어들 것이라고 보았다. 강연자는 이를 춤추는 사람들 사이를 지나가는 것과 가만히 서 있는 사람들 사이를 지나가는 것의 차이로 설명한다. 온도가 높다는 것은 원자들이 격렬히 진동한다는 뜻이고, 온도가 낮다는 것은 그 진동이 줄어든다는 뜻이므로, 직관적으로는 Onnes의 예측이 그럴듯해 보인다.
4.2K에서 갑자기 사라진 저항
Onnes는 실제로 온도를 낮추며 저항을 측정했다. 강연에 따르면 그는 온도를 점점 낮추자 저항이 줄어드는 것을 확인했고, 4.2K 부근에 도달했을 때 수은의 저항이 갑자기 뚝 떨어지는 현상을 발견했다. 이것이 초전도 현상의 발견이다. 중요한 점은 저항이 단순히 작아진 것이 아니라, 측정 가능한 한계 아래로 사라졌다는 데 있다. 강연자는 당시 실험가들이 매우 엄밀했기 때문에 이를 곧바로 “0”이라고 단정하지 않았다고 설명한다. 장비의 오차를 고려해 “10^-5Ω 이하”처럼 보고했을 뿐, 원리적으로 완전히 0인지에 대해서는 조심스러웠다는 것이다.
05:13 - Onnes가 4.2K 부근에서 저항이 급격히 떨어지는 초전도 현상을 발견한 실험 결과
Onnes는 이 저항이 정말 0에 가까운지를 확인하기 위해 별도의 실험을 고안했다. 납으로 만든 코일을 액체 헬륨으로 냉각한 뒤, 근처의 자석을 움직여 코일에 전류를 유도한다. 일반적인 물질이라면 저항 때문에 유도된 전류는 시간이 지나며 사라져야 한다. 그러나 저항이 없다면 전류는 계속 순환해야 하고, 그 전류가 만드는 자기장은 나침반의 방향을 계속 바꾸어 놓을 것이다. 강연자는 Onnes가 실제로 이런 방식으로 지속 전류를 확인했고, 전류가 멈춘 이유도 저항 때문이 아니라 헬륨이 떨어져 냉각을 유지할 수 없었기 때문이라고 설명한다.
06:44 - 납 코일, 액체 헬륨, 자석, 나침반을 이용해 지속 전류를 확인하는 실험 구조
이 대목에서 초전도의 첫 번째 핵심이 드러난다. 초전도는 단지 “전기가 잘 통하는 물질”이 아니라, 저항이 사실상 사라진 상태를 뜻한다. 전류가 흐르다가 열로 소모되지 않고 계속 유지될 수 있다는 것은 전기적 현상에 대한 기존 직관을 크게 흔드는 일이었다. Onnes는 1911년에 초전도를 발견했고, 강연에 따르면 2년 뒤 노벨 물리학상을 받았다. 단순해 보이는 질문이 실험 기술과 만나자, 물리학의 새로운 장이 열린 것이다.
46년 동안 설명되지 않은 현상
초전도 현상은 발견되었지만, 왜 저항이 사라지는지는 오랫동안 설명되지 않았다. 김 교수는 이 시기에 Einstein, Niels Bohr 같은 거물들이 활동하고 있었음에도 초전도의 원리를 설명하지 못했다고 말한다. 현상 자체는 명확했지만, 그 현상을 설명할 언어와 이론적 도구가 아직 충분히 준비되지 않았던 셈이다. 결국 초전도가 이론적으로 설명되기까지는 1957년까지 기다려야 했다. 발견 이후 약 46년이 지난 뒤에야 John Bardeen, Leon Cooper, John Robert Schrieffer가 BCS 이론을 제시했다.
BCS 이론의 중심에는 Cooper pair(쿠퍼쌍)가 있다. 일반적으로 전자는 음전하를 띠므로 서로 밀어내야 한다. 그런데 초전도 상태에서는 전자 두 개가 일종의 쌍을 이루어 움직인다고 설명한다. 김 교수는 이를 직관적으로 풀어, 한 전자가 지나가면 양전하를 띤 격자 이온들이 그 전자 쪽으로 살짝 끌려오고, 그 왜곡이 남아 있을 때 다음 전자가 들어오면서 결과적으로 두 전자가 연결된 것처럼 행동한다고 말한다.
10:42 - Bardeen, Cooper, Schrieffer의 BCS 이론과 Cooper pair 개념
두 전자가 쌍을 이루면 하나의 전자와는 다른 집단적 성질을 보일 수 있다. 강연자는 보손(Boson)이라는 표현을 사용하며, 전자 하나로는 설명되지 않던 초전도 현상이 전자 두 개가 묶여 다닌다고 보면 설명된다고 말한다. 엄밀한 양자역학적 설명은 훨씬 복잡하지만, 핵심은 전자들이 제각각 흩어져 충돌하는 것이 아니라 물질 전체의 양자 상태와 결이 맞아 집단적으로 움직인다는 데 있다. 그래서 초전도 상태에서는 전자가 단순한 알갱이처럼 장애물에 부딪히는 것이 아니라, 파동처럼 물질의 주기성과 맞물려 저항 없이 이동하는 것으로 설명된다.
BCS 이론의 힘과 한계
BCS 이론이 과학적으로 강력했던 이유는 단순히 “그럴듯한 설명”을 제공했기 때문이 아니다. 강연자는 과학 이론이 중요한 이유를 “내 말이 맞다면 이런 현상이 벌어질 것”이라고 예측할 수 있어야 한다는 점에서 찾는다. BCS 이론은 Cooper pair가 존재한다면 두 전자가 결합되는 에너지가 있을 것이고, 그것을 측정할 수 있어야 한다고 예측했다. 또한 당시 계산으로는 통상적인 초전도 현상이 25K보다 높은 온도에서는 나타나기 어렵다고 보았다. 이 예측은 이후 초전도 연구의 중요한 기준점이 되었다.
Cooper pair의 결합 에너지를 실험적으로 확인하는 과정에는 양자 터널링이 등장한다. 강연자는 Leo Esaki가 반도체 접합에서 양자 터널링을 발견한 이야기를 먼저 소개한다. 두 전도성 영역 사이에 전기가 통하지 않는 장벽이 있으면 고전역학적으로는 전자가 넘어갈 수 없어야 한다. 그러나 전자는 입자이면서 동시에 파동이기 때문에, 장벽을 통과할 확률을 갖는다. 이 현상이 양자 터널링이며, 김 교수는 와이파이가 벽을 통과하는 비유를 통해 파동적 성질이 장벽 통과를 가능하게 한다고 설명한다.
이 터널링 개념을 초전도체에 적용한 인물이 Ivar Giaever다. 한쪽에 초전도체를 놓고 장벽을 사이에 둔 뒤 전압을 걸면, Cooper pair가 깨져 전자 하나가 터널링할 때 필요한 에너지를 측정할 수 있다. 강연에 따르면 전압을 점점 높이다가 어느 순간 전류가 갑자기 흐르기 시작하는데, 이 지점이 Cooper pair의 결합 에너지와 대응한다. 다시 말해 BCS 이론이 말한 “두 전자가 묶여 있다”는 주장이 단지 해석이 아니라, 측정 가능한 에너지 간격으로 확인된 것이다.
14:40 - 초전도체와 장벽을 이용해 Cooper pair의 결합 에너지를 터널링 실험으로 확인하는 구간
Josephson의 대담한 예측
초전도체와 터널링의 결합은 Brian Josephson의 예측에서 더 극적으로 전개된다. Giaever가 한쪽에 초전도체를 놓고 Cooper pair가 깨지는 현상을 관찰했다면, Josephson은 양쪽이 모두 초전도체일 때 Cooper pair 자체가 깨지지 않고 장벽을 통과할 수 있지 않겠느냐고 생각했다. 강연자는 Josephson이 이 아이디어를 22살 무렵, 사실상 학생 시절에 제안했다고 소개한다. 당시 BCS 이론의 핵심 인물이었던 Bardeen조차 이 예측을 쉽게 받아들이지 않았다고 한다. 장벽이 전자를 막고 있는데, Cooper pair가 통째로 넘어간다는 것은 직관적으로 받아들이기 어려웠기 때문이다.
그러나 이 예측은 곧 실험으로 확인되었다. 강연에 따르면 Bell Labs에서 Josephson의 예측을 검증했고, 이후 Josephson은 노벨 물리학상을 받았다. 이 이야기는 노벨상급 발견이 반드시 거대한 장비나 복잡한 문제의식에서만 출발하지 않는다는 점을 보여준다. 오히려 기존 이론이 말하는 구조를 끝까지 믿고, “그렇다면 이런 일도 가능하지 않은가”라고 밀어붙이는 태도가 새로운 현상을 열어젖힌다. Josephson 효과는 오늘날 초전도 양자회로와 정밀 측정 기술의 기반이 되었고, 이후 양자컴퓨터 이야기로 이어지는 중요한 다리가 된다.
고온초전도체가 깨뜨린 규칙
BCS 이론은 특정한 종류의 초전도체를 잘 설명했지만, 초전도 연구는 거기에서 멈추지 않았다. 강연자는 Bernd Matthias가 수많은 초전도 물질을 찾으며 자신만의 경험적 규칙을 세웠다고 설명한다. 그의 규칙에 따르면 산소가 들어간 물질은 피해야 하고, 자성을 띠는 물질도 피해야 하며, 전기가 잘 통하지 않는 물질도 초전도 후보로 적절하지 않다. 철처럼 자성을 띠는 원소도 피해야 한다는 식이었다. 이는 당시까지 발견된 초전도체의 경험적 패턴을 바탕으로 한 매우 실용적인 가이드였지만, 동시에 과학에서 경험칙이 얼마나 쉽게 뒤집힐 수 있는지도 보여준다.
1986년 Bednorz와 Müller는 란타넘-바륨-구리 산화물 계열에서 35K 부근의 초전도 현상을 발견했다. 강연에 따르면 몇 달 뒤에는 95K 수준의 초전도체도 등장했다. 95K는 액체 질소를 이용해 접근 가능한 온도이기 때문에, 초전도 응용 가능성을 크게 넓히는 사건이었다. 이전까지 25K 이상에서는 어렵다고 여겨졌던 초전도가 훨씬 높은 온도에서 나타났고, 이 발견은 곧바로 물리학계에 큰 충격을 주었다. 강연자는 당시 미국 물리학회에서 사람들이 몇 시간 전부터 줄을 서고 새벽까지 발표를 들을 정도로 열기가 뜨거웠다고 묘사한다.
18:52 - Bednorz와 Müller의 고온초전도체 발견과 95K 초전도 전이의 의미
더 흥미로운 점은 Bednorz와 Müller가 발견한 물질이 Matthias의 경험칙을 정면으로 거슬렀다는 것이다. 강연자는 해당 물질이 산소를 포함한 산화물이고, 구리 산화물 층과 강한 전자 상호작용을 지닌 전형적 금속 초전도체와 다른 성격의 물질이라고 설명한다. 문맥상 구리산화물 계열 고온초전도체를 가리키는 것으로 이해된다. 여기서는 강연의 핵심인 “기존 규칙을 어긴 산화물 계열에서 고온초전도가 발견되었다”는 수준으로 정리하는 것이 적절하다.
아직 설명되지 않은 고온초전도의 수수께끼
고온초전도체의 등장은 BCS 이론이 틀렸다는 단순한 결론으로 이어지지 않는다. 김 교수는 BCS 이론이 적용되는 순수한 물질과 통상적 초전도체에 대해서는 여전히 맞는 설명이라고 분명히 말한다. 문제는 Bednorz와 Müller가 발견한 복잡한 산화물 계열 물질이 기존 이론의 가정에서 벗어난다는 데 있다. 그러므로 “BCS 이론이 완전히 틀렸다”기보다는, “BCS 이론만으로는 설명할 수 없는 새로운 종류의 초전도가 등장했다”고 보는 편이 정확하다.
이 지점에서 강연은 과학의 중요한 특징을 드러낸다. 이론은 현상을 설명하고 예측하지만, 새로운 실험은 언제든 그 이론의 적용 범위를 시험한다. 고온초전도는 발견된 지 수십 년이 지났지만, 강연에 따르면 아직 완전한 이론적 설명이 확립되지 않았다. 초전도 현상 자체가 처음 발견된 뒤 BCS 이론이 나오기까지 46년이 걸렸던 것처럼, 고온초전도 역시 현재의 물리학 언어로는 충분히 설명되지 않는 영역일 수 있다. 김 교수는 이를 설명할 수 있다면 노벨상으로 이어질 가능성이 크다고 말한다.
이 대목은 “노벨상은 이미 쉬운 문제를 모두 가져간 과거의 천재들 이야기”라는 생각을 흔든다. 강연자는 여전히 풀리지 않은 질문이 많고, 지금도 로우 행잉 프루트가 남아 있다고 말한다. 물론 그 열매가 정말 낮게 달려 있는지는 발견된 뒤에야 알 수 있다. 그러나 역사적으로 보면, “온도를 낮추면 저항이 어떻게 될까”처럼 단순해 보이는 질문도 충분한 실험 기술과 개념적 전환을 만나면 물리학의 큰 문을 열 수 있었다.
거시적 양자 터널링과 양자컴퓨터로 이어진 길
강연의 후반부는 초전도에서 양자컴퓨터로 이어지는 연결고리를 설명한다. 초전도 상태에서는 많은 전자들이 결이 맞아 하나의 거대한 양자 상태처럼 행동한다. 그렇다면 전자 하나나 Cooper pair 하나가 터널링하는 것을 넘어, 아보가드로 수에 견줄 만큼 많은 입자가 참여하는 거시적 시스템 전체가 양자 터널링을 할 수 있을까. Anthony Leggett는 이런 거시적 양자 터널링이 가능할 것이라고 예측했고, 이에 대해 많은 물리학자들이 처음에는 회의적으로 반응했다고 한다. 그러나 이 예측은 이후 John Clarke, Michel Devoret, John Martinis로 이어지는 실험적 검증의 대상이 되었다.
강연에 따르면 이 실험은 열에너지로 장벽을 넘는 현상과, 양자 터널링으로 장벽을 통과하는 현상을 구분하는 방식으로 설계되었다. 온도를 낮추면 열에너지가 줄어들기 때문에, 고전적으로 장벽을 넘는 비율은 계속 낮아져야 한다. 그런데 어느 온도 이하에서 그 비율이 더 이상 줄어들지 않고 평평해진다면, 이는 열로 넘어가는 것이 아니라 터널링으로 통과한다는 신호가 된다. 김 교수는 이 실험이 거시적인 시스템에서도 실제로 양자 터널링이 일어난다는 것을 보여주었고, 이것이 2025년 노벨 물리학상과 연결된다고 설명한다.
24:42 - 온도를 낮추며 열적 장벽 넘기와 거시적 양자 터널링을 구분하는 실험 결과
이 발견이 중요한 이유는 양자컴퓨터의 구현 방식과 직접 이어지기 때문이다. 원자 하나하나를 다루어 양자 상태를 제어하는 것은 매우 어렵다. 그러나 초전도 회로처럼 비교적 큰 시스템이 인공 원자처럼 행동할 수 있다면, 반도체 칩을 만들듯이 양자비트를 설계할 수 있다. 강연자는 Google의 양자컴퓨터 연구를 예로 들며, Martinis가 이 흐름 속에서 중요한 역할을 했다고 설명한다. 2019년 Google이 양자 우월성을 주장한 논문과도 이 연구 계보가 연결된다는 것이다.
26:57 - 거시적 양자 터널링이 초전도 양자회로와 Google의 양자컴퓨터 개발로 이어지는 흐름
양자역학은 이미 일상 기술 속에 들어와 있다
강연자는 양자역학이 단지 철학적 난제가 아니라 이미 현대 기술의 토대라고 강조한다. 전자가 입자이면서 파동이라는 사실은 처음 들으면 모호하고 불편하게 느껴질 수 있다. 그러나 전자가 파동성을 갖기 때문에 터널링이 가능하고, 그 터널링은 반도체 소자와 현대 컴퓨터 기술의 깊은 곳에 들어가 있다. 강연에서 언급된 CMOS, MOSFET 같은 소자는 고전역학만으로는 충분히 설명되지 않으며, 전자의 양자역학적 성질을 전제로 이해해야 한다.
레이저 역시 양자역학의 대표적 산물로 소개된다. 원자의 에너지 준위가 연속적이지 않고 불연속적으로 정해져 있기 때문에, 특정한 에너지 차이에 해당하는 빛이 방출된다. 이 원리를 이용하면 여러 색이 뒤섞여 나오는 백열등과 달리, 결이 맞고 파장이 정해진 빛을 만들어낼 수 있다. 김 교수는 레이저 포인터부터 다양한 현대 장치까지, 우리가 익숙하게 사용하는 기술들이 사실은 “세상이 연속적이지 않다”는 양자역학의 통찰 위에 놓여 있다고 설명한다.
이 대목에서 강연의 큰 주제가 다시 선명해진다. 물리학의 기초 질문은 당장 쓸모가 없어 보일 수 있지만, 그 질문을 밀고 나가면 수십 년 뒤 전혀 다른 기술의 기반이 된다. “빛은 파동인가 입자인가”, “전자는 왜 저항 없이 흐를 수 있는가”, “큰 시스템도 양자처럼 행동할 수 있는가” 같은 질문은 처음에는 순수한 호기심처럼 보인다. 그러나 그 호기심은 반도체, 레이저, 초전도 회로, 양자컴퓨터로 이어진다. 과학의 효용은 종종 질문이 제기된 순간이 아니라, 오랜 시간이 지난 뒤에야 드러난다.
노벨상급 질문은 어디에서 오는가
강연 후반의 대화는 노벨상급 연구가 어떤 팀 구조에서 나오는지로 이어진다. 김 교수는 여러 사례에서 교수, 박사후연구원, 학생이 함께 등장하는 이유를 설명한다. 교수는 중요한 문제가 무엇인지 판단하고 연구 방향을 잡는 역할을 한다. 박사후연구원과 학생은 새로운 아이디어와 실제 실행력을 제공한다. BCS 이론에서도 Cooper pair의 핵심 아이디어는 Cooper라는 젊은 연구자의 이름으로 남아 있고, 거시적 양자 터널링 실험 역시 교수와 젊은 연구자들이 함께 수행한 사례로 제시된다.
김 교수는 자신의 책을 쓴 이유도 학생들이 노벨상급 질문의 방향을 감각적으로 이해하기를 바라기 때문이라고 말한다. 그는 자신이 노벨상을 받을 확률은 낮을 수 있지만, 제자들 중에서 수상자가 나올 가능성은 0이 아니라고 농담 섞어 이야기한다. 이 말은 단순한 겸손이라기보다, 과학 교육의 본질을 가리킨다. 좋은 연구자는 정답을 많이 외우는 사람이 아니라, 아직 정답이 없는 질문을 알아보는 사람이다. 그리고 그런 질문은 종종 너무 어려워서가 아니라 너무 당연해 보여서 지나쳐진다.
하드디스크의 자기저항 사례도 같은 맥락에서 언급된다. 자석 두 개의 배열에 따라 저항이 달라지는지를 묻는 질문은 사후적으로 보면 단순해 보인다. 그러나 실제 연구 현장에서는 특정 문제에 몰두하다 보면 정작 전류를 흘려 저항을 재보는 발상을 놓칠 수 있다. 김 교수는 노벨상급 발견 중 일부가 “내가 생각할 수도 있었는데”라는 아쉬움을 남기는 이유가 여기에 있다고 말한다. 과학의 어려움은 항상 난해한 수학에만 있는 것이 아니라, 익숙한 대상에 새로운 질문을 던지는 데에도 있다.
마무리 / 핵심 정리
이 강연은 초전도의 역사를 통해 과학이 작동하는 방식을 보여준다. Onnes는 온도와 저항의 관계를 실험하다가 초전도를 발견했고, Bardeen, Cooper, Schrieffer는 46년 뒤 그 원리를 이론으로 설명했다. 이후 Giaever와 Josephson은 터널링을 통해 Cooper pair의 존재와 초전도체 사이의 양자적 연결을 보여주었고, 고온초전도체의 발견은 기존 이론의 경계를 다시 흔들었다. 거시적 양자 터널링의 검증은 이 흐름을 현대 양자컴퓨터 기술로 연결했다.
가장 중요한 takeaway는 노벨상급 과학이 반드시 멀리 있는 질문에서만 시작하지 않는다는 점이다. “왜 저항은 일정한가”, “온도를 낮추면 저항은 어떻게 되는가”, “전자가 파동이라면 장벽을 통과할 수 있는가”, “큰 회로도 원자처럼 행동할 수 있는가” 같은 질문은 단순해 보이지만, 끝까지 추적하면 세계를 설명하는 방식 자체를 바꾼다. 김갑진 교수의 설명은 과학의 역사가 천재들의 번뜩임만으로 이루어진 것이 아니라, 측정 가능한 질문을 만들고, 틀릴 수 있는 예측을 내놓고, 실험으로 확인하는 긴 과정임을 설득력 있게 보여준다.
📚 출처 및 참고
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 원본 영상 | 생각보다 쉽게 받은 노벨 물리학상 이야기 (카이스트 물리학과 김갑진 교수)(2부) |
| 채널 | 언더스탠딩 : 세상의 모든 지식 |
| 리포트 작성 | 2026-07-19 |
| 작성 방식 | YouTube 영상 STT 변환 후 에디팅 |
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