부산대는 물리교육과 김상욱 교수가 양자영역에서 ‘맥스웰의 도깨비’의 작동원리를 규명했다고 14일 밝혔다.

‘맥스웰의 도깨비’란 1876년 물리학자 제임스 맥스웰이 제안한 것으로 ‘열 에너지가 한 방향으로 흐른다’는 열역학 제2법칙을 위배할 수 있는 존재를 말한다.

도깨비가 두 부분으로 나뉜 상자 사이에 있으면서 빨리 움직이는 분자는 오른쪽으로 보내고, 느린 분자는 왼쪽으로 보내 시간이 갈수록 오른쪽은 뜨거워지는 반면 왼쪽은 차갑게 된다는 것으로 도깨비의 존재를 부정하면 열역학 제2법칙이 잘못된 것처럼 보인다.

이에 대해 물리학자 질라드는 1929년 이 도깨비를 구현 가능한 엔진형태로 제안했지만, 이는 분자에 대한 지식 자체가 에너지로 변환가능하다는 것(정보 엔트로피)을 보여주는 데 그쳤다.

김 교수는 ‘질라드 엔진’을 양자열역학으로 분석해 엔진에서 얻을 수 있는 에너지의 양이 구분 가능한 입자와 구분 불가능한 입자에 따라 달라지는 ‘상대적 정보 엔트로피’로 주어진다는 것을 규명해 모터나 냉각장치의 성능을 제약하는 한계를 이해할 수 있게 됐다.

한편 일본 도쿄대와 공동으로 진행한 김 교수의 이 같은 연구성과는 물리학 분야의 최고 권위를 자랑하는 학술지 '피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)'의 14일자 온라인판에 편집장 추천논문으로 소개됐다.