고대 로마인들은 물리학자들이 메타물질을 이론화하거나 변환 광학(transformation optics)을 연구하기 훨씬 전부터, 지진으로부터 구조물을 보호하는 장치 역할을 하는 건축물을 지었을 가능성이 제기됐습니다. 프랑스 연구진이 발표한 논문 『지진 거대구조의 탄생에서 나노포토닉스의 역할』이 바로 이 놀라운 가설을 뒷받침합니다.
연구에 따르면 일부 로마 극장과 원형극장의 기초 패턴은 현대 전자기 클로킹(cloaking) 장치의 특성과 놀랍도록 유사합니다. 연구진은 이러한 '고고학적 메타물질(archaeological metamaterial)'이 지진파를 구조물 주변으로 편향시켜, 결과적으로 간접적인 지진 보호 효과를 제공했을 수 있다고 설명합니다.
메타물질이란 무엇인가?
메타물질(metamaterial)은 자연에서는 찾아볼 수 없는 방식으로 전자기파나 음파를 조작하도록 설계된 인공 구조물입니다. 물체 주변의 전자파를 편향시켜 사실상 '보이지 않게' 만드는 투명 망토(invisibility cloak)가 대표적인 응용 사례로, 이를 설계하기 위해 변환 광학이라는 수학적 프레임워크가 개발되었습니다.
메타물질의 주목할 만한 응용 분야 중 하나가 바로 지진 방재입니다. 핵심 아이디어는 구멍 네트워크나 단단한 물체를 지반에 매설해 건물을 둘러싸고 지진파를 편향시키는 것입니다. 특정 파장 범위의 지진파가 이 네트워크를 통과하면 다중 반사로 인해 파동이 서로 파괴적으로 간섭하며 '밴드갭(band gap)'이 형성되어, 건물에 전달되는 흔들림이 크게 감소합니다.
2012년 지반 실험으로 입증된 개념
토목 엔지니어 스테판 브륄레(Stéphane Brûlé)가 속한 리옹의 메나르(Ménard) 사는 2012년 마르세유 프레넬 연구소(Fresnel Institute) 연구진과 함께 이 개념을 실험으로 입증했습니다. 연구팀은 지표면에 깊이 5m의 2차원 우물 네트워크를 시추한 뒤 근처에서 음파를 발생시켰고, 그 결과 파동 에너지의 대부분이 첫 두 줄의 구멍에 의해 발생원 쪽으로 다시 반사된다는 사실을 확인했습니다.
그런데 브륄레는 고대 로마인들이 그 원리를 알지 못했더라도 이미 이 개념을 먼저 실현했을 가능성에 주목했습니다. 프랑스 중부 오툉(Autun)의 고고학 유적지를 여행하던 중, 그는 길가 들판 아래 묻힌 갈로-로마 극장의 기초를 보여주는 항공 사진을 접했습니다. 겨우 식별 가능한 수준의 표식이었지만, 서기 1세기에 지어진 이 건물의 윤곽이 드러났고, 그는 반원형 구조가 투명 망토의 절반과 기묘하게 닮았다는 사실을 알아차렸습니다.
이 직관은 이후 수행된 고고학 조사 사진으로 뒷받침됐습니다. 극장 기초를 훨씬 정밀하게 매핑한 사진에 프레넬 연구소의 브륄레 팀이 제작한 지름 20cm 투명 망토를 겹쳐 본 결과, 극장 기둥과 망토 요소가 거의 정확히 일치했으며, 두 구조 모두 반지름이 점점 작아지며 서로 가까워지는 동심원(반원형) 배열을 이루고 있었습니다.
콜로세움에서도 발견된 동일한 패턴
브륄레는 반원형인 극장뿐 아니라 완전히 폐쇄된 로마 콜로세움을 비롯한 여러 원형극장의 기초에서도 같은 패턴을 발견했습니다. 특히 인접한 동심원(대부분의 원형극장의 경우 타원)의 반지름 비율이 거의 동일하다는 점이 주목할 만합니다.
로마인들이 어떻게 이런 설계에 도달했는지에 대해 브륄레는 지진 다발 지역에서 수세기에 걸쳐 축적된 경험을 바탕으로 원형극장 설계를 점진적으로 개선해 왔을 가능성을 제시합니다. 물론 단순한 우연이었을 가능성도 배제할 수 없습니다.
다음 단계: 실제 지반에서의 검증
프레넬 연구소의 세바스티앙 게노(Sébastien Guenneau)는 아이디어 검증을 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했지만, 실제 지반의 복잡성과 지진파 전달에 미치는 영향을 고려하면 현장 지반 실험이 필수적이라고 강조합니다. 그는 외경이 최소 20m에 달하는 특징적인 동심 타원형으로 배열된 매립 콘크리트 말뚝으로 구성된 실증 모델 구축을 계획하고 있습니다. 이 규모는 부드러운 지반을 따라 전파되는 지진파(단파장)에 적합하다고 그는 설명합니다.
