아인슈타인 이론으로도 해결 안된 통계물리학 난제 풀렸다

액체 속 입자 불규칙 운동의 숨은 공식 밝혀

[아시아경제 김철현 기자] 아인슈타인의 '브라운 운동' 이론으로도 해결되지 않던 통계물리학의 난제가 풀렸다. 한국연구재단(이사장 노정혜)은 중앙대학교의 성재영 교수·김지현 교수가 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 일관되게 성립하는 분자들의 수송방정식을 발견했다고 13일 밝혔다.

꽃가루가 물에 떠서 끊임없이 움직이는 것과 같은 불규칙한 운동을 '브라운 운동' 혹은 '열운동'이라고 한다. 아인슈타인은 열운동하는 입자들의 이동 양상을 예측할 수 있는 방정식을 제시했다. 이 식은 입자의 크기가 크고 액체가 균일할 때는 정확했지만 여러 분자나 입자가 섞여 있는 복잡 액체에서는 맞지 않았다. 복잡 액체에서 입자 열운동을 설명하는 것은 현대 통계물리학의 난제 중 하나였다.

연구팀은 복잡한 액체 속 입자의 이동을 일관적으로 설명하기 위해 주변의 미시적 환경에 따라 운동성이 바뀌는 무작위 운동입자 모델을 제안했다. 연구팀은 환경에 따라 운동성이 변하는 무작위 운동입자 모델로부터 아인슈타인과 다른 새로운 수송 방정식을 얻었고 이 방정식의 정확한 해는 세포 속 환경, 고분자 유체, 과냉각수, 이온액체 등에서 발견되는 다양한 비정규분포 수송 현상을 정확하고 일관되게 설명했다.

성재영 교수는 "이 연구는 통계물리학 분야의 난제인 복잡 유체 내 분자 열운동과 수송 현상을 설명할 수 있는 일반적인 방정식과 해를 찾아낸 것"이라며 "세포 내 효소와 생체 고분자들의 열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상들을 물리화학적으로 이해하고 예측하는 데 우선 응용할 계획"이라고 했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 '미국국립학술원회보(PNAS)'에 최근 게재됐다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr