지식 더하기 영구 기관과 em drive

인류 역사상 수많은 발명가와 사기꾼들이 공통으로 꾸었던 하나의 거대한 꿈이 있다. 배터리를 꽂거나 석탄을 때지 않아도, 한 번 스위치를 켜면 영원히 스스로 톱니바퀴를 돌리며 공짜 에너지를 마구 뿜어내는 기계, 이른바 '영구 기관(Perpetual Motion Machine)'이다. 물가에 물레방아를 설치하고 그 물레방아가 돌아가는 힘으로 다시 물을 위로 끌어올려 물레방아를 영원히 돌리겠다는 기상천외한 아이디어들. 안타깝게도 이 모든 몽상은 우주의 가장 절대적인 규칙인 '열역학 법칙'의 벽에 부딪혀 산산조각이 났다. 그런데 최근, 과학계를 발칵 뒤집어놓은 기괴한 발명품 하나가 나사(NASA)의 실험실에서 튀어나왔다. 연료(추진제)를 단 한 방울도 내뿜지 않고 오직 전자레인지의 전파(마이크로파)만으로 우주선을 밀어붙인다는 기적의 엔진, 'EM Drive'다. 물리학의 근간을 뒤흔드는 이 불가능한 엔진을 둘러싼 치열한 논쟁 속으로 들어가 보자.

우주의 절대 헌법, 열역학의 철벽

왜 영구 기관은 100% 사기꾼의 거짓말일까? 우주에는 절대 위배할 수 없는 헌법인 '열역학 제1법칙과 제2법칙'이 존재하기 때문이다. 1법칙(에너지 보존의 법칙)은 "에너지는 형태만 바뀔 뿐, 공짜로 무에서 유가 창조될 수 없다"고 못 박는다. 무언가를 돌리려면 반드시 외부에서 그만큼의 연료(에너지)를 쑤셔 넣어야 한다. 2법칙(엔트로피 증가의 법칙)은 한술 더 뜬다. 기계가 돌아가면 기어끼리 부딪히는 '마찰'이나 공기의 '저항' 때문에 반드시 쓸모없는 열에너지가 발생하여 허공으로 새어 나가게 된다. 100의 에너지를 넣어도 마찰 때문에 90밖에 못 쓰는데, 하물며 0을 넣고 100을 영원히 뿜어낸다는 것은 우주의 물리 법칙을 정면으로 비웃는 판타지 소설에 불과하다.

뉴턴을 비웃는 불가능한 추진력, EM Drive

영구 기관의 망령이 사라질 무렵, 2001년에 로저 쇼이어라는 발명가가 황당한 논문을 발표했다. 우주선이 앞으로 나아가려면 뉴턴의 '작용-반작용 법칙(운동량 보존 법칙)'에 따라 반드시 꽁무니로 엄청난 가스(연료)를 뿜어내야 한다(로켓의 원리). 벽을 뒤로 걷어차야 내가 앞으로 튀어 나가는 것과 같다. 그런데 쇼이어가 발명한 'EM Drive'는 밀폐된 구리 통 모양의 깡통 안에 그냥 전자레인지 전파(마이크로파)를 쏘고 그 안에서 전파가 통벽을 이리저리 때리게만 만들었다. 밖으로 뿜어내는 가스가 0인데도, 통 내부에서 튕기는 전파의 압력 차이 때문에 깡통이 스스로 앞으로 스멀스멀 나아가는 '추진력'이 발생한다고 주장한 것이다. 밀폐된 자동차 안에 앉아서 자동차 핸들을 손으로 꽉 밀었다고 자동차가 앞으로 굴러간다는 기적의 궤변이었다.

NASA의 실험실을 강타한 충격적인 논란

과학계는 코웃음을 쳤다. 작용-반작용의 법칙을 깨부수는 것은 우주 전체의 물리 법칙이 박살 나는 것과 같았기 때문이다. 하지만 호기심에 찬 중국 연구진과 심지어 나사(NASA)의 이글웍스 연구팀이 이 황당한 깡통을 직접 만들어 진공실에서 실험을 돌려보았다. 그런데 전 세계 물리학자들이 경악하는 사태가 벌어졌다. 나사의 실험 결과, 아주 미세하긴 하지만 진짜로 이 깡통이 밀폐된 상태에서 앞으로 밀려 나가는 '추진력(1.2 밀리뉴턴)'이 기계에 측정된 것이다. "진짜 뉴턴의 법칙이 틀렸나? 양자 진공을 밀어낸 것인가?" 전 세계 공학계가 발칵 뒤집히며 노벨상이 예약되었다는 설레발이 쏟아졌다.

진실은 언제나 차갑다, 측정의 오류

하지만 기적은 쉽게 허락되지 않았다. 2021년, 독일 드레스덴 공대의 타지마르 교수 연구팀이 훨씬 더 정밀한 장비로 EM Drive를 다시 검증했다. 그 결과 뼈아픈 진실이 밝혀졌다. 나사가 측정했던 그 미세한 추진력은 깡통 안의 마이크로파가 기적을 일으킨 것이 아니라, 실험 장치에 연결된 '전선'들이 전기를 받으면서 열을 받아 늘어나거나 주변 자기장과 부딪히면서 깡통을 미세하게 비틀어버린 '지구 자기장과 열팽창의 오차'였던 것이다. 전파를 끄고 통에 열만 가해도 기계는 깡통이 앞으로 나아간다고 똑같이 착각했다. EM Drive는 결국 정밀하지 못했던 측정기가 만들어낸 21세기 최대의 과학적 해프닝으로 막을 내리게 되었다. ![왼쪽에는 아이작 뉴턴이 운동량 보존 법칙이 적힌 칠판을 화난 표정으로 가리키고 있고, 오른쪽에는 현대 엔지니어들이 연료 없는 EM 드라이브를 신나게 테스트하는 모습을 보여주는 분할 화면](https://image.pollinations.