1. 전기기기의 효율 및 COP

전통적인 전기발전기에서 효율은 전류 곱하기 전압으로 표시되는 전기적 출력 값에서 토크 곱하기 각속도(또는 힘 곱하기 속도)로 표시되는 기계적 입력 값으로 나눈 값으로 표시할 수 있다.



여기서,
: 유기기전력[V]
: 유기전류[A]
: 외부에서 가해주는 힘[N]
: 발전기 회전자 속도[m/s]
: 외부에서 가해주는 토크[N․m]

전기 모타의 경우는 위 식에서 전기적 입력에 대한 기계적 출력, 즉, 위 식에서 분모와 분자가 바뀐 형태로 효율을 나타낸다. 어떤 발전기가 전기를 계속해서 생산하기 위해서는 발전기 자체의 마찰 및 기계적 손실등에 의해 기본적으로 요구되는 힘()과 전류가 흐름으로 비례적으로 커지는 역기전력 반발력에 의한 힘을 극복하고 외부에서 힘을 가해주어야만 한다.
는 전류가 흐르지 않는 상태에서도 발생하는 무 부하손실에 의한 힘으로 발전기의 회전속도에 비례해서 커지며, 실제적으로 역기전력에 의한 힘보다는 훨씬 작은 값이다.
영구자석에 의한 자계 내에 있는 코일에 전류가 흐를 때 코일에는 전류방향 및 자계방향과 수직한 방향으로 힘이 작용하는데 그 힘을 로 표시한다.
이 힘을 역기전력 또는 마그네틱 힘이라 하고, 향상 외부에서 가해주는 힘을 방해하는 역방향으로 작용한다. 따라서 외부에서 가해주어야 할 힘는 다음과 같이 표현된다.


여기서,
: 외부에서 가해주는 힘[N]
: 발전기 기계적 손실에 의한 힘[N]
: 발전기의 1차 유기기전력에 의한 힘[N]
: 영구자석의 자속밀도[Wb/m2]
: 영구자석과 부하권선의 유효길이와 권선수의 곱[m]
: 부하권선에 흐르는 전류[A]

이를 고려하면 영구자석의 자속내에 부하권선에 전류 이 흐르는 상태에서 전기발전기의 효율은 다음과 같이 표시된다.



위 식에서 알 수 있는 바와 같이 부하권선에 전류가 흐르지 않는 무부하상태에서 이 0임으로 외부에 아무런 일도하지 않기 때문에 효율은 0이다. 부하권선에 흐르는 전류가 커짐에 따라 효율은 좋아질 수 있으나 향시 1보다 작은 값을 가진다. 부하권선에 흐르는 전류가 무한대로 커지면 효율은 거의 1에 접근하나, 코일에 열이 많이 발생하여 녹아버리기 때문에 초전도상태를 제외하고 현실적으로는 절대로 그런 발전기를 만들 수 없다.
전기발전기는 코일로 구성된 고정자와 영구자석으로 구성된 회전자의 상대적 운동에 의해서 전기를 발생시킨다. 이때 영구자석으로부터 에너지를 흡수하여 전기를 발생시키는 상승 단계(기전력, emf)와 자석 극이 코일 극을 벋어나면서 오히려 에너지를 잃게 되어 외부에서 힘을 가해주어야 운동을 지속시킬 수 있는 하강 단계(역기전역, back-emf)로 구분하여 동작원리를 설명할 수 있다. 기전력과 역기전력은 대칭적 개념이나 기계적 마찰, 손실등을 고려하면 역기전력이 기전력보다 크기 때문에 효율은 향상 1보다 작게 된다.
그러나 오퍼레이타에서 부하에 직접적으로 가해지는 입력 외에 외부환경(External Environment 또는 Vacuum))에서 에너지를 받을 수 있는 열린계(Open System)로 이 개념을 확장하면 다음과 같은 흥미로운 결과를 도출할 수 있다.
열린계에서는 다음과 같이 정의되는 COP(성능계수, Coefficient of Performance)로 전기기기의 성능을 나타낸다. 여기서, 입력은 작용자 입력(Operator Input)은 순수한 이 열린계에 작용하는 입력 량만을 의미하고, 열린계의 출력은 이 계로 들어오는 입력 외에 외부환경에서부터 추가적으로 입력을 받아들여서 나온 결과이다.
따라서 열린계의 COP는 1보다 클 수 있으며, 이는 열역학보존법칙을 위반하는 것이 아니고, 오히려 우주 레벨에서 에너지 입출력 관계는 결국 보존되는 것을 알 수 있다. 열린계에서, , 즉 성능계수가 효율보다 향상 크거나 같은 관계가 성립한다.



솔라셀이나 풍력발전기 같이 순수하게 외부환경의 태양이나 바람을 재활용(renewable)해서 에너지를 생산하는 시스템은 COP가 1보다 큰 기기의 대표적인 경우이다. 외부에 아무런 동력원이나 힘의 보탬 없이 오직 지구의 중력을 재활용해서 가속원운동을 계속하고 있는 인공위성도 COP가 1보다 큰 시스템이다.
다입자 시스템 평형상태의 양자 요동에 의해 네가티브 엔트로피가 찰라적인 순간에 형성되어 보존성이 파괴된다. 또한, 이 양자요동에 의해 포텐셜 에너지의 변화가 있으면 힘이 생기고 힘은 일을 할 수 있기 때문에 새로운 에너지가 생긴다. 다음 [그림]은 열린 계에서 에너지 입출력 관계를 도식적으로 설명해 주고 있다.



와 같이 표현되는 대칭적인 로렌츠 게이지를 사용한 맥스웰 방정식, 전기 및 자기에 관한 2개의 포텐셜 함수를 이용하면 전기기기 내부에서 발생하는 모든 전기와 자기 현상을 설명할 수 있다. 이는 물론 닫힌계에서 외부에서 에너지 입출입이 없는 상태에서 적용되는 방정식이다.
위의 공식은 전기스칼라포텐셜(Electrical Scalar Potential)과 자기벡터포텐셜(Magnetic Vector Potential)이 서로 시간에 따라 변하는 2차편미분방정식 형태로 표시되기 때문에 대칭형 리게이징(또는 Lorentz Re-gauging)이라 한다.
로렌츠 게이지는 전기장과 자기장을 표현하는 포텐셜 함수가 대칭적이다. 지난, 130여년동안 사용된 전기기기(모타 또는 발전기)는 이 로렌츠 게이지를 기반으로 설계되었다. 전기기기는 기본적으로 영구자석의 강력한 자기에너지를 대칭적으로 활용하여 에너지의 형태를 변환시킨다. 모타는 전기에너지를 운동에너지로 변환시키고 발전기는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 기기이다. 따라서 이 기기가 제대로 동작하기 위해서 모타는 회전시키기 위해서 외부에서 전기를 끊임없이 공급해 줘야 하고, 발전기는 전기를 발생시키기 위해서는 외부에서 동력을 공급해 주어야 한다.

그러나 지금까지는 외부의 자연 환경에서 새로운 입력을 받아들이거나, 영구자석이 근본적으로 가지는 자기에너지를 재활용해서 사용하는 것은, 즉, 열린계로 전기기기를 확장하여 설계하는 것은 로렌츠 게이지가 가지고 있는 근본적 대칭적 한계 때문에 이론적으로 불가능하다고 여겨졌었다. 에너지보존법칙에 의하면 닫힌계에서 열역학 효율은 어떤 경우든 1을 초과할 수 없다.
이는 닫힌계에서는 외부로부터 새로운 에너지가 유입 될 수 없는 계에서는 열역학 제2법칙에 의해서 출력이 입력보다 더 클 수가 없기 때문이다. 따라서 페러데이의 전자기유도법칙에 따라 동작하는 모든 전기기기의 효율도 마찬가지로 1을 초과할 수는 없다.

2. 에너지 추출과 채움 (Energy Extraction and Replenishment)

지금까지의 시공간의 구조화된 진공으로부터 전기기기의 에너지 흐름을 정리하면 다음 [정리 1]과 같이 요약할 수 있다.

[정리 1] 구조화된 진공으로부터 에너지 추출 과정
(The Energy Extraction Process from the Structured Vacuum)

에너지 보존성을 깨뜨리지 않고 재활용해서 사용하고 COP가 1보다 큰 전기기기는 만들기 위해서는 다음과 같은 [조건 1]을 만족하는 추출과 보충의 순환 과정을 무한히 반복해서 수행할 수 있는 순환 시스템 이여야 한다.

[조건 1] 에너지 추출과 채움의 순환 과정
(The Extraction and Replenishment Energy Circulation Process)

이와 같이 오퍼레이타 외에 구조화된 진공에서 에너지를 보충할 수 있는 과정을 로렌츠 게이지의 대칭성과 대응되는 개념으로 비대칭 리게이지(ASR) 과정이라고 한다.
ASR에서는 에너지 보존성을 만족하면서 COP가 1보다 큰 시스템을 만들 수 있다. 여기서, 에너지 보존성을 무너뜨리지 않고 진공에서 에너지를 추출하고 채워주는 시스템을 설계하는 방식에 따라 다음과 같이 여러 가지 형태로 나누어 설명할 수 있다.

3. 진공 에너지

진공(Vacuum)은 에너지가 최소인 상태로 정의된다. 그러나 양자전기역학(QED, Quantum Electrodynamics), 양자장론(Quantum Field Theory)에 의하면 진공의 최소에너지는 0이 아니라 v값(측정에 의하면, -246 GeV의 높은 에너지 값으로 양성자의 246배)을 가진다.
진공은 질량을 형성하는 힉스 입자들의 바다로 이루어져 있다. 또한 진공은 고요한 상태가 아니라 양자입자들이 주변에 전하나 자기 쌍극자등의 영향을 받아 주변의 포텐셜 변화에 의해 활발히 양자 요동(Quantum Fluctuation)쳐서 활성화(Active)할 수 있는 상태이다.
이 양자요동에 의하면 진공은 전자-양자(Electron-Positron)쌍에 의해 전기쌍극자를 형성할 수 있다. 이 전자-양자의 상호작용에 의해 전공에서 전기자기장을 형성할 수 있다.
이때 진공이 마치 유전체(Dielectric)처럼 행동하여 극성을 띠게 되는데 이것을 진공 극화(Vacuum Polarization)라고 한다.
진공에너지 상태를 세계적인 물리학자 리처드 파인만는 그 유명한 [파인만 다이어그램]을 사용하여 다음 [그림]과 같이 표현하였다. 진공에너지를 영점에너지(Zero Point Energy) 또는 공간에너지라고도 표현하며, 즉, 모든 공간에 걸쳐 존재하는 에너지로 양자역학적 물리적 시스템이 가질 수 있는 기저상태(에너지 레벨이 가장 낮은 단계)를 말한다.



우리는 흔히 텅 빈 우주공간의 진공에는 아무 것도 존재하지 않는다고 생각한다. 그러나 양자장이론의 연구 결과는 더 이상 내려갈 수 없는 최저 온도인 절대온도 0도(-273℃)의 진공조차도 아무 것도 없는 제로상태가 아니라 스칼라 입자들로 꽉 차 있다는 기이한 사실을 설명해주고 있다. 진공에는 아무 것도 없어야 하는데 그곳은 여전히 매우 짧은 찰나에 생멸을 반복하는 입자-반입자의 쌍들로 꽉 차 있고 이론상 절대온도 0도에서는 입자마저 얼어붙어서 움직이지 않아야 하는데 실제로는 무한히 빠른 미세한 움직임이 여전히 남아있다는 것이다. 이 입자들이 전기쌍극자와 반응하여 포텐셜 요동을 일으키고 또 그 포텐셜 변화에 의해서 장이 형성되는 것이다.
양자 진공(Quantum Vacuum) 혹은 제로 포인트 에너지(Zero Point Energy)로 명명된 이것이 온 우주의 배경공간을 이루고 있다. 1입방미터 부피의 이 허공 속에서 일어나고 있는 입자 쌍의 진동(양자요동) 에너지를 다 합하면 그것만으로도 지구상의 바닷물을 모두 증발시킬 수 있다는 계산결과도 있다. 무한한 공짜 에너지인 이 영점 에너지를 이용할 수 있는 방법을 연구하고 있는데 만약 성공한다면 이야말로 미래의 가장 획기적인 대체에너지가 될 것이다.

4. 자발적 대칭 깨짐

1967년에 발표된 미국의 물리학자 스티븐 와인버그(Steven Weinberg)의 렙톤 이론(A Theory of Lepton)이 입자물리학의 표준모델을 제시한 논문이다. 처음에 그 논문이 나왔을 때는 별다른 주목을 받지 못하다가, 한국의 물리학자 이휘소 박사가 게이지 이론이란 해설논문이 발표된 이후 갑작스럽게 여러 물리학자의 관심을 끌고 연구자들이 와인버그의 논문의 참뜻을 이해하게 되었다. 임의의 게이지 변환에 의해서 작용의 물리량을 표현하는 라그랑지안이 바뀌지 않으면 대청성이 유지된다는 것이 게이지 이론의 핵심이다.
표준모형에는 어러 종류의 입자들이 있다. 페르미 입자는 물질을 구성하는 입자이고, 게이지 입자는 상호작용을 매개하는 입자이며, 힉스 메카니즘을 작동시키는 스칼라 입자가 있다. 여기서는 스칼라 입자의 한 종류로써 스핀이 0인 입자로 입자에 질량을 부여하는 것으로 알려진 힉스 입자의 대칭 깨짐에 대해서 논의한다.
우주의 4가지 힘 중에서 2가지 힘인 약한 핵력과 전자기력을 통합한 표준모델은 이휘소 박사가 처음으로 학계의 중심으로 이를 끌어왔다. 비슷한 시기에 이러한 결과를 얻은 사람이 살람과 글래쇼, 둘이 더 있었는데 살람이 이휘소의 강연직전 찾아가 와인버그와 같은 결론을 얻었다고 하였고, 이휘소는 발표를 하던 도중 와인버그 모형이라 적힌 곳에 살람을 넣어 와인버그-살람 모형으로 표기 하였다. 이는 그때 당시 입자물리학 분야에서 이휘소의 영향력을 알 수 있는 대목이기도 하다. 살람은 그때까지만 해도 잘 알려지지 않은 파키스탄 출신 미국의 물리학자였다.
이휘소 박사는 한국이 낳은 세계적인 미국의 이론물리학자이다. 세계적으로는 그의 영문명 벤자민 리(Benjamin W. Lee)로 많이 알려져 있다. 20세기 후반 입자물리학에서 자발적으로 대칭성이 깨진 게이지 이론의 재규격화(re-normalization) 문제의 해결에 결정적인 역할을 하였고, 참 쿼크(Charm Quark)의 질량을 예측하여 그 탐색에 공헌하였다. 그러나 1977년 43세의 아까운 나이에 교통사고로 숨졌다. 한국인 최초로 노벨 물리학상을 받을 수 있는 위치의 사람 이였는데 아쉬운 대목이 아닐 수 없다. 노벨상은 죽은 사람에게는 수여되지 않는다.
이후 영국의 물리학자 글래쇼도 발견자로 인정되었고 이휘소의 사망 이후 글래쇼 와인버그 살람 세 사람은 1979년 노벨상을 받았다.
그리고 이 이론은 이들의 이름을 합쳐 GWS(Glashow-Weinberg-Salam)모형이라고 불리게 된다. 이와 같이 똑 같은 이론을 거의 비슷한 시기에 많은 사람에 의해서 제창되는 것은 현대물리가 공변적이고 올바른 방향으로 진행되고 있다는 것을 입증해주고 있는 셈이다.

자연단위에서 는 질량 또는 에너지 차원을 가진다. 그 만큼의 에너지가 전 공간, 다시 말해서 전 우주에 균일하게 깔려있는 상태가 진공이다. 이처럼 마이나스 에너지가 우주 전체에 충만해 있다는 사실은 우리에게 크나 큰 행운이다. 진공이야말로 우리에게 무한한 에너지를 제공해 주고 있으며 우리는 그것을 사용할 수 있다. 여기서 이를 진공기대값(Vacuum Expectation Value)이라고 한다. 이는 기댓값이라는 말은 유산(자산)으로 해석된다. 이는 하나님이 우리에게 남겨준 가치로 진공이 가지고 있는 어마어마한 에너지 량의 잠재적 유산으로 평가하라는 의미로 파악된다.
실측에 의하면 값의 에너지는 246GeV으로 양성자의 246배에 해당하는 매우 큰 값이다. 진공은 평상시는 고요한 마이나스 에너지의 바다이지만 전기쌍극자나 자기쌍극자등의 상호작용에 의해서 진공극화를 형성한다. 이는 진공에 포텐셜 변화를 초래하고 전기장이나 자기장을 형성하여 진공을 요동시켜 진공의 에너지를 추출해서 사용할 수 있다.
입자가 포텐셜 함수가 0인 꼭대기 점에 위치해 있을 때 불안하여 외부의 조그마한 포텐셜 변화에 의해 에너지가 더 낮은 상태인 바닥으로 떨어지게 된다. 즉, 입자의 포텐셜 에너지의 변화가 나타난 것이다. 이때 전체적인 포텐셜 장의 그래프는 위치에 대해서 보면 대칭이지만, 입자가 위치한 지점에서 보면 입자의 위치가 비대칭이다.
이를 자발적 대칭 파괴(Spontaneous Symmetry Breaking)라고 하고 이때 힘이 발생한다. 양자장론에 의하면 힘은 Local Gauge System의 대칭이 깨질 경우 포텐셜 에너지의 변화에 의해서 자발적으로 대칭성을 유지시키기 위해서 발생한다고 해석한다. 자발적 대칭 깨짐 과정을 힉스 메카니즘(Higgs Mechanism)이라고 하는데 보손입자(photon, W+, W-, Z, gluon)가 질량을 얻는 과정에서 매개체 역할을 하는 것이 힉스입자 이다.
그런데 힉스 입자는 원자 안의 매우 짧은 거리에서 상호작용하고 수명은 매우 짧아 관측하기가 매우 어렵다. 2012년 세계에서 가장 큰 유럽의 입자 가속기 CERN에서 양성자를 빛의 속도까지 가속시켜 입자를 충돌시키면 질량의 감소에 의해 어마어마한 에너지를 방출시키고 다량의 입자가 방출되는데 그 중에서 힉스 입자 검출에 성공하여 2013년 프랑스 물리학자 프랑수아 앙글레르(Francois Englert)와 피터 힉스(Peter Higgs)가 공동으로 노벨 물리학상을 받았다.
표준모형은 결국 진공을 기술하는 방정식이다. 그 방정식을 푸는 과정에서 진공의 에너지 상태가 매우 높다는 것을 찾아냈고 또한 진공의 바다에서 고요하게 놓여있는 있는 수많은 입자들이 발견되었다. 그 중에서 힉스 입자의 자발적 대칭 깨짐에 의해 힘이 작용되어 이들 입자에게 질량을 부여하게 되는 것이다.

5. SEER Mechanism

입자물리학의 결과는 진공을 힉스 입장의 바다로 표현하고 있다. 진공은 아무 것도 없는 고요한 상태가 아니라, 외부의 작용에 의해서 포텐셜 에너지를 변화시켜 언제라도 요동칠 수 있는 입자들로 가득 차있다.
진공의 중요한 특징 두 가지는 진공은 유전체와 같은 성질을 가지고 있어 전기를 띨 수 있다는 점이다. 두 번째는 진공은 양자-전자쌍을 향시 분출하고 있다.
진공극화를 고려하면, 로렌츠 게이지 항을 0이 아닌 다음과 같이 새로운 진공변위전류 원천을 포함하는 항이 추가되어야 한다. 진공상태를 마치 플러스, 마이너스 극을 띨 수 있는 유전체처럼 모델링한다. 시간에 따라 변하는 쌍극자 성분이 변위 전류를 발생시킬 수 있기 때문에 로렌츠 게이지의 대칭적 제약을 제거하고, 다음과 같이 새로운 항을 도입해서 진공 에너지를 활용할 수 있는 여지를 남겨놓아야 한다.
진공변위전류는 진공극화가 시간에 따른 변화량이기 때문에 그 값은 0부터 무한대까지 커질 수 있다. 진공극화의 시간에 따른 변화가 없으면 진공변위전류는 0으로 이는 로렌츠 게이징 조건과 동일하다. 이 값이 시간에 따라 변화가 급격하면 무한대까지 커질 수 있다. 이 공식은 매우 중요한 사실을 말해주고 있는데, 잘 설계된 전기기기는 진공으로부터 무한대의 에너지를 확보해서 재사용할 수 있다는 의미이다. 이는 비대칭 게이징 이론과도 동일한 결과이다.
진공 전류 밀도나 진공 전하 밀도는 구조화된 진공(Structured Vacuum)의 포텐셜 함수(즉, 와 )에서 얻을 수 있다. 카시미르 효과에 의하면 전류나 전하의 원천이 존재하지 않는 상황에서도 진공의 포텐셜이 존재할 수 있다는 것이 알려졌다.
전기장이나 자기장이 발생하는 직접적인 요인은, 전자나 전하에 의해서 생기는 것이 아니라, 진공의 포텐셜 에너지 변화에 의한 것으로 해석된다. 구조화된 진공의 포텐셜 변화 또는 미세한 요동(Perturbation)에 의해 앞에서 자발적 대칭 깨기가 발생하고, 그 대칭 깨기에 의해 힘이 작용한다고 해석된다. 따라서 전자기장에 의한 힘의 원천은 자발적 대칭 깨기라 할 수 있다.
고전전기동역학은 영구자석의 에너지는 구조화된 진공에서부터 얻어지는 것으로 해석한다. 최근의 많은 연구들은 이를 지지해 준다. 물론 구조화된 진공을 형성하는 요인은 외부에서 주어지는 전하나 자기 쌍극자이다. 로렌츠 게이지가 없는 진공극화 상태에서 맥스웰 방정식은 진공의 전류나 전하를 고려한 O(3) 양-밀스 방정정의 일부분이 된다.
진공의 전류 전하 밀도는 근본적으로 진공에 포텐셜 함수 의 변화를 초래한다. 즉, 구조화된 진공의 벡타 포텐셜에서 장(Field)이 만들어지고, 스칼라 포텐셜에서 장이 형성된다. 이는 근본적으로 변위 전류를 고려한 맥스웰 방정식에서 로렌츠 조건을 진공 극화로 대치한 효과이다. 진공 전류나 전하는 O(3) 양-밀스 고전전기동역학에서 자기 전류나 자기 전하를 추출할 수 있게 한다. 양-밀스의 이론에서는 자기 홀극(monopole)을 예측하였으나 아직까지는 발견되지 않고 있다.

에너지는 생성되거나 파괴될 수 없다. 우주론적인 입장에서 에너지는 향시 보존된다. 전기장이나 자기장의 근원은 전자나 전하에 의한 것이 아니라 구조화된 진공내의 포텐셜 함수의 변화이다. 그러나 보다 근본적인 요인을 파악해 들어가면 전기나 자기가 에너지를 만드는 것이 아니다. 진공내에 존재하는 전하나 자기 쌍극자의 작용에 의해서 구조화된 진공의 포텐셜 변화를 초래하고, 우주는 무한의 에너지를 보유하고 있기 때문에, 이 에너지를 전기 에너지 형태로 꺼내 사용하는 개념이다.
우주에 분포되어 있는 에너지는 향상 보존되기 때문에 구조화된 진공에서 에너지를 꺼내 사용하다는 개념이 열역학 법칙을 위반하는 것이 아니라, 열린계에서 열역학 보존 법칙과 동일하게 보존된다. 이는 에너지 보존법칙을 위반하지 않고 진공에서부터 무한대의 에너지를 추출해서 재활용 사용할 수 있는 전기기기가 가능하다는 이론적이 토대가 된다.
구조화된 진공상태에서 외부에서 변위전류로 새로운 에너지원이 유입될 수 있는 새로운 조건에서는 더 이상 맥스웰 방정식에 로렌츠 게이지를 적용할 필요가 없다. 진공을 새로운 재활용 에너지源으로 활용할 수 있는 이론적 근거를 제시하기 위해서 새로운 게이지에 관한 이론을 제공해야 하는데, 이것이 바로 역사적인 의미에서 비대칭(ASR : ASymmetrical Re-gauging) 리게이징 이론이라고 하는데, 보다 물리적 의미를 충실히 반영하면, SEER(Simultaneous Energy Extraction and Replenishment) Mechanism이라 표현할 수 있다.
ASR은 구조화된 진공의 포텐셜 에너지를 추출해서 실제적인 일을 할 수 있는 힘을 얻는 과정이다. 리게이징이라는 의미는 진공으로부터 에너지를 추출한다는 뜻이 내포되어 있다. 따라서 COP가 1보다 큰 전기기기를 만드는데 있어서 아무런 이론적 제약 조건은 없다.
지금부터 진짜 중요한 문제는 진공에서 에너지를 계속해서 추출 변환해서 실제적인 전력시스템에 사용할 수 있는 구조화된 진공을 형성하는 전기기기의 구조를 어떻게 개발하느냐 하는데 핵심이 있다. 물론 그 기기는 진공이 가장 강력한 에너지원이기 때문에 외부에서 에너지를 꼭 공급해줄 필요는 없다.

6. 영구자석과 에너지 보존 법칙

자석의 N극과 S극 사이에 작용하는 인력, N극끼리 또는 S극 끼리에 작용하는 반발력은 어떤 메카니즘이 작용하는 것일까? 떨어져 있는 자극사이에 자극 사이에 작용하는 힘이라는 것은 불가사의한 것이다. 에너지를 전달하는 방법에는 열, 전도, 복사, 일등의 방법이 있다. 에너지는 파동 형태로 전달되는데, 빛은 진공을 광속으로 전달되고, 소리는 공기라는 매질을 통해서 퍼져나가고, 지진은 지구의 지면을 타고 지진파가 전달되고, 물결파도는 물이 있어야 된다. 파동은 매질을 통해 운동이나 에너지가 전달되는 현상이다. 에너지는 시간이 지나면 공간상으로 퍼져나가지만 매질 자체는 운동을 매개할 뿐 이동하지 않는다. 그러나 파동은 매질의 존재와 상관없이 정의되어야 한다. 빛이나 전자기파는 진공 속을 매질 없이 전달되는 파동이다.
에테르 문제에서도 알 수 있듯이 “파동을 전달하는 것이 무엇인가?”라는 문제는 지난 150년 동안 과학계는 끊임없이 논쟁을 계속해 왔다. 자기력에 대해서도 원달력(遠達力, Free Space, 도중이 힘을 전달하는 매질이 없는 상태), 매달력(媒達力, Media Force, 힘을 전달하는 매체가 필요한 상태)등이 역사적으로 논쟁거리가 되었었다. 그러나 입자물리학의 양자장론에서는 물질의 기본 성질로 파동성을 이야기하며, 힉스 입자로 가득 찬 진공을 매질을 정의하는 근본적인 개념이다. 결국 최종적인 이론은 모든 파동은 매질을 통해서 전달된다는 결론에 이르게 된다. 우주 공간을 가로지르는 빛조차도 입자들로 가득 찬 진공을 매질로 해서 전달되고 있는 것이다.

고대 중국에서는 자석(磁石), 현(玄)자는 ‘검다’는 뜻으로 많이 알고 있으나 ‘가물 현’이라고 해야 맞는다. 천자문에 나오는 천지현황(天地玄黃)은 하늘(우주)은 가물가물하여 멀고 아득하며, 땅은 누렇다고 새겨야 옳은 것이다. 우주공간은 끝없기 때문에 검게 보인다는 뜻으로 ‘검을 현’이라 하는 것 같다. 현(玄)자는 제부수자이다. 돼지해머리 두(亠)와 작을요(幺)의 합자로 심오(深奧)하여 아득함을 나타내는 유원(幽遠)의 뜻을 나타내는 회의자이다. 전(轉)하여 검은 빛ㆍ하늘 등의 뜻으로도 쓰인다. ‘오묘(奧妙)하다. 신묘(神妙)하다. 깊고 고요하다’는 뜻으로 많이 쓴다. 건물의 출입문이나 건물에 붙이어 따로 달아낸 어귀를 현관(玄關)이라고 쓴다. 깊고 묘한 이치에 드는 문이라는 뜻이다. 벼를 타서 왕겨만 벗기고 속겨는 벗기지 아니한 쌀을 현미(玄米)라 한다. 공자와 같이 가장 뛰어난 성인(聖人)을 현성(玄聖)이라하고, ‘깊고 묘한 도’란 뜻으로 佛道를 일컬어 현도(玄道)라 한다. 손자(孫子)의 손자를 가물가물하다는 뜻으로 현손(玄孫)이라 부르며, 속 깊이 간직하여 드러내지 않는 덕을 현덕(玄德)이라 한다. 임금의 공적처럼 위대한 공훈을 현공(玄功)이라 하며, 깊고 그윽한 풍취(風趣)를 현풍(玄風)이라 한다. 제사 때에 술 대신에 쓰는 맑은 찬물을 현주(玄酒)라 하며, 사람이 죽은 뒤에 그 혼령이 가서 산다고 하는 저승을 현택(玄宅)이라 하여 검다는 뜻 보다 ‘가물가물하여 아득하다’는 뜻이 더 많이 담긴 글자이다. 자석은 이와 같이 깊고 심오한 뜻이 있는 가물 현자가 두게 붙어있는 돌이라는 뜻이다. 고대 중국 사람들은 순수한 관찰에 의해서 자석이 신비한 힘이 있는 돌의 의미를 파악했던 것이다.
1600년대 서양에서 “자기학의 아버지”라고 칭하는 영국의 물리학자 길버트는 자석 속에 생명 또는 영혼 같이 것에 의해 힘이 작용하는 것이라고 설명하였다. 이것은 1600년대라는 시대적 제약일 것이다. 그는 실험을 중시하는 최초의 과학자였지만 인간의 사고방식은 그 시대로부터 자유로울 수는 없었을 것이다.
그래서 자연과학은 인문학과 병행하여 발전해 나가야 하는 것이다. 스티브 잡스는 아이패드를 소개하면서, “기술만으로 충분하지 않다. 우리의 가슴을 뛰게 하는 것은, 인문학과 결합한 기술이다. (Technology is not enough – it’s technology married with liberal arts, married with humanities, that yields us the result that makes our heart sing)”이라는 명언을 남겼다. 윌리엄 길버트(William Gilbert)는 당시대 최고의 영국의 의사이자 물리학자였다. 그는 영국 실험과학 또는 자기학의 아버지라고 불린다. 자기력에 대한 생각은 10세기 프랑스 물리학자 쿨롱에 의해 획기적으로 개선되었다. 쿨롱은 긴 막대자석을 이용하여 자극 사이에 작용하는 힘의 크기는 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 확인하였다. 자석의 N극과 S극에는 전기의 전하(電荷)와 마찬가지로 자하(磁荷)에 관한 쿨롱의 법칙, 즉, 자기력은 두 자하의 곱에 비례하고, 그 거리의 제곱에 반비례한다는 것이다.



이 법칙은 전기에 관한 쿨롱의 법칙과 같은 형태이며, 또 중력에 관한 뉴턴의 만유인력의 법칙과 같은 형태를 하고 있다. 자기력, 전기력이 만유인력과 같은 형태를 따르는 데서부터 자기력은 원달력이라는 생각이 그 당시 과학자들 사이에 지배적인 것으로 되었다. 확실히 자석이 떨어진 데에 있는 쇳조각을 끌어당기는 상태를 보면 그 사이에 아무것도 없는 것처럼 보인다.
그러나 두 자석 위에 종이를 얹어 놓고 사철을 뿌리면, 그 사철의 무늬는 다음 [그림 1]의 왼쪽과 같이 된다.
페러데이는 자석에 작용하는 힘을 다음 [그림 1]의 오른쪽과 같은 가상적인 자력선(Magnetic Flux Lines)을 사용하여 설명하였다. 자력선은 반드시 N극에서 나와 S극으로 끝나는 순환적인 폐곡선을 그린다. 시작도 없고 끝도 없다. 마이클 페러데이(Michael Faraday)는 전자기학과 전기화학 분야에 큰 기여를 한 영국의 물리학자이자 화학자이다. 그는 비쥬얼하게 자력선이 분포하는 모양을 머릿속에 상상해 냈다. 맥스웰은 페러데이의 그림을 수학적으로 완성한 이론가였다. 누구나 [그림]의 왼쪽 사철 무늬를 보고 있노라면 힘을 전달하는 매개체가 있어야 한다고 생각이 될 것이다.



19세기 들어와서 자석의 원천이 전류라는 사실을 밝혀졌다. 와르스테드는 전류가 만드는 자기장을 발견하였다. 이 발견은 그때까지 별개의 것으로 생각되었던 전기와 지기가 상호작용을 한다는 처음으로 결부시킨 획기적인 것 이였다.
보통 물질은 무질서한 스핀이 제각기 서로 다른 방향으로 임의적(random)으로 배열되어 전체적으로 자성이 상쇄되어 자성을 가질 수 없다. 이럴 때 이 물질에 대해서는 특정한 방향을 정할 수가 없다. 즉 어떤 기준 점에서 볼 때 스핀 방향의 분포에 관해서는 랜덤하게 대칭성을 가지고 있다고 볼 수 있다. 강자성체에 있어서 대칭성이란 전기적으로 스핀과 스핀이 자기적으로 N극과 S극을 형성하여 서로 다른 특성이 랜덤하고 균형있게 공존하는 것을 의미한다. 따라서 +스핀과 -스핀은 서로의 스핀 방향이 좌회전과 우회전으로 반대이다.
따라서 영구자석을 만드는 그 근원은 전류라는 사실이 명확해 졌다. 자석에 관한 쿨롱의 법칙에 나와 있는 전하에 대응하는 자하는 존재하지 않는 것이다. 또한 원형 전류는 반드시 양쪽에 N극과 S극을 만드니까 단극 자석이 만들어지지 않는 이유도 명백해졌다. 따라서 자석이 힘을 전달하기 위해서는 반드시 자성체라는 매질이 있어야 한다.

철이나 희토류 같은 강자성체는 [그림]의 왼쪽과 같이 분자단위의 작은 자석(자구(磁區)라고 한다, Magnetic Domain)으로 무질서하게 구성되어 있다. 그러나 [그림]의 오른쪽과 같이 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 무질서했던 스핀이 일정한 같은 방향으로 정렬되는 현상이 나타난다. 이때 작은 자석들이 임의로 정해진 한쪽 방향으로 강한 자성을 띠게 되어 영구자석이 형성 된다.
이때 스핀들이 특정한 방향으로 방향성이 생겼다. 원래는 스핀이 어느 지점에서 어느 방향으로 보나 랜덤하게 대칭이었으나, 이제는 스핀들이 특정한 방향 대한 대칭성이 깨졌다고 볼 수 있다. 대칭성이 깨지게 되면 무질서하게 나열되어 있던 +스핀과 –스핀은 대칭 깨짐이 발생하여 자석처럼 양쪽으로 한방향성을 띠도록 배열되어 (N극과 S극으로 나뉘어져 자기 모멘트를 형성) 극성을 띠게 된다.



영구자석을 만드는 방식으로, 외부에서 어떤 에너지를 가하여(강한 자장) 더 낮은 에너지 상태(포텐셜 에너지가 최소인 상태)를 택하면서 대칭성이 깨질 때 형성된다.
이것은 진공의 에너지 상태를 설명하기 위해, 포텐셜 에너지의 변화에 의해서 자발적으로 대칭성을 유지시키기 위해서 발생하는 자발적 대칭 깨짐 과정을 설명하는 힉스 메카니즘과 유사하다. 그런데 영구자석이 형성되는 과정은 힉스 입자의 자발적 대칭 파괴 과정과는 분명히 차이가 있음으로, 우리는 영구자석이 자성을 형성하는 과정을 강압적 대칭 깨짐(Coercive Symmetry Breaking)이라고 한다. 자발적 대칭 파괴는 불안정하여 찰라적인 순간에 소멸되지만 강압적 대칭 파괴는 한번 형성되면 외부에서 물리적인 작용에 의해 파괴하지 않는 한 반영구적으로 유지된다. 영구자석은 한번 형성되면 그 특성이 영원히 유지되기 때문에 강압적 대칭 깨짐은 또는 동시적 대칭 깨짐(Simultaneous Symmetry Breaking)이기도 하다.

희토류를 사용한 NdFeB계열의 영구자석의 공극(Air gap)내 자속밀도는 보통 2 테슬라 정도이다. 테슬라는 자속밀도[Wb/m]의 단위로 1 테슬라는 10⁴ 가우스이다.
이를 에너지로 환산하면 공극에 저장된 자기 에너지는 의 공식으로 계산됨으로, 최대값은 약2MJ/m³의 에너지가 된다. 이는 전기장이 가지는 에너지 밀도의 약 50,000배에 해당하는 량으로 대부분 에너지 변환기기가 자기장을 활용하는 이유이기도 하다. 이 저장된 자기 에너지의 1J은 1N·m의 토크에 해당됨으로 토크 형태로 변환하여 사용할 수 있다.
영구자석은 현대물리 양자장론에서 주장하는 진공이론과 비대칭 리게이징 이론을 강력하게 지지해 준다. 영구자석은 구조화된 진공을 형성하고 그 구조화된 진공으로부터 에너지 추출과 채움 과정을 다음과 같이 설명할 수 있다. 영구자석 부근에 벡터 포텐셜 함수의 변화에 의해 장이 형성되어 영구자석내 자기 쌍극자 모멘템이 형성된다. 이때, 영구자석에 의해 형성되는 자기장이 전술한 구조화된 진공의 포텐셜 에너지 변화이다. 자기력의 보다 근본적이 원인은 구조화된 진공의 포테셜 에너지 변화가 1차적이고, 이 포텐셜 변화에 의해 형성되는 자기장이 2차적인 요인이다.

만약 영구자석이 강자성체를 끌어당겼다면 이동된 경로만큼 일을 했음으로 에너지를 추출해서 사용했다. 이때, 영구자석에 외부로부터 에너지를 채움 과정이 없다면 보존법칙에 의해서 일로 사용된 만큼 공극 내 에너지가 줄어들기 위해서 영구자석의 자성이 감소하든지 또는 외부에서 어떤 에너지 보충 작용이 있어야만 한다. 이때 외부에서 에너지를 보충하기 위한 아무런 장치가 없음으로 공극에 저장된 에너지가 감소해야 보존성이 유지된다. 영구자석이 일을 했음에도 불구하고 그러나 영구자석 형성하는 공극내 에너지는 감소하지 않았다. 영구자석은 자연적으로 100년이 지나면 약1%의 자성이 감소하는 것으로 알려졌으나, 영구자석은 외부에서 물리적인 작용에 의해 망가뜨리지 않는 한 계속해서 반영구적으로 자성을 유지하고 있는 것이 영구자석의 특징이다. 이것들은 누구나 알고 있는 진실이다.
에너지 보존법칙을 위반하지 않고 이것을 설명할 수 있는 유일한 방법은 우리가 알고 있는 양자장론 이론에 의해서 진공에서 에너지가 계속해서 영구자석에 채워지고 있다고 사실이다.
즉, 자기 쌍극자에 의해서 변화된 포텐셜 에너지가 자기장을 형성하여 구조화된 진공으로부터 에너지를 계속해서 채워주고 있는 것이다. 우주 공간에 퍼져 있는 진공은 무한한 에너지 원천이다. 이것이 비대칭 게이징 이론의 핵심이다.
이는 마치 흐르는 강물에서 바가지로 밖으로 물을 계속해서 퍼내도 그 강물에는 물이 계속해서 채워지는 상황으로 유추해 볼 수 있다.