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- 양자 중첩 현상에서 입자의 양자 상태는 불확정적이며, 여러 상태를 동시에 가질 수 있다.
- 오직 측정만이 중첩 상태를 붕괴시키고 입자의 상태를 확정짓는다.
- 1천4백 미터 암반 아래에서 62일 동안 이 결정에서 방출되는 스펙트럼 기록
- 예측한 신호는 발견되지 않았다. "이 신호의 부재는 중요한 과학적 발견"
- 중력과 양자역학의 상호작용을 설명하는 이론 찾는데 진일보

왜 "슈뢰딩거의 고양이"는 양자 세계에서만 존재하는 것일까?

슈뢰딩거의 고양이 사고 실험은 양자 중첩 상태를 설명하는 데 사용된다. 하지만 왜 이 실험이 일상적인 물체에는 적용되지 않을까? 물리학자들은 최근 한 가지 이론을 실험을 통해 검증했다. 이 이론에 따르면, 시공간상의 "배경 잡음"이 더 큰 물체의 중첩 상태를 파괴해야 한다. 그러나 이 메커니즘의 간접적인 효과는 실험에서 나타나지 않았다. 이는 가능한 설명의 범위를 더욱 좁혀준다. 

▲ 양자 중첩은 왜 일상적인 물건이나 이 고양이에게는 적용되지 않을까요? 물리학자들은 이제 이를 설명하는 한 가지 이론을 검증했다.

양자 중첩 현상에서 입자의 양자 상태는 불확정적이며, 여러 상태를 동시에 가질 수 있다. 오직 측정만이 중첩 상태를 붕괴시키고 입자의 상태를 확정짓는다. 이 중첩은 양자 컴퓨터를 비롯한 많은 양자 물리학 응용 분야의 기반이 된다. 이미 원자, 이온, 분자, 심지어 수천 개의 원자로 이루어진 금속 덩어리에서도 중첩 현상이 관찰되었다.

하지만 왜 이 중첩은 "일반적인" 물체에는 적용되지 않는 것일까? 이탈리아 국립 원자핵 연구소의 수석 저자인 카탈리나 쿠르체아누(Catalina Curceanu)는 "원자와 기본 입자를 지배하는 양자 행동이 우리가 일상적으로 접하는 거시 세계에서는 왜 사라지는지는 현대 물리학에서 가장 근본적인 질문 중 하나다"라고 설명했다.

시공간이 원인일까?

1960년대 헝가리 물리학자 프리제스 카롤리하지(Frigyes Károlyházy)는 가능한 원인 중 하나로 중력을 제시했다. 그는 중력이 거시 세계에서 양자 중첩을 붕괴시킨다고 추측했다. 특히, 그는 아인슈타인이 정의한 시공간이 가장 작은 규모에서는 "유동적"이며 미세한 요동을 보인다고 가정했다. 이러한 요동은 특히 큰 물체에서 양자 중첩의 결맞음을 "약화"시켜 결맞음 붕괴를 초래한다는 것이다.

그러나 이러한 시공간 요동이 실제로 존재하는지는 직접적으로 감지할 수 없기 때문에 알 수 없다. 하지만 간접적인 증거가 있을 수 있으며, 쿠르체아누를 비롯한 물리학자들은 바로 그 증거를 찾고 있다. 이론에 따르면, 대전 입자는 이러한 변동에 반응하여 움직이고, 그 과정에서 극히 약한 전자기파를 방출해야 한다. 하지만 이 방사선은 너무 약해서 일반적인 환경에서는 배경 잡음에 묻혀 감지되지 않는다.

▲ 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험: 고양이는 방사성 물질과 독극물이 든 상자 안에 앉아 있다. 핵붕괴가 일어나면 고양이는 죽는다. 하지만 아무도 확인하지 않는 한, 고양이의 상태는 불분명하다. 즉, 죽은 상태이면서 동시에 살아 있는 상태이다. — © Dana Kulbayeva

1천4백 미터 암반 아래에서의 측정

이 미미한 방사선을 측정할 수 있는 곳이 하나 있다. 바로 알프스 산맥에 위치한 그란 사소 지하 실험실이다. 이 입자 물리학 실험실의 지하 공간은 1,400미터 두께의 암반으로 차폐되어 있다. 쿠르체아누는 "암반이 제공하는 자연 차폐 덕분에 이곳은 지구상에서 가장 조용한 곳 중 하나이며, 극히 드문 물리 현상을 감지하기에 매우 적합하다"고 설명했다.

실험을 위해 물리학자들은 여러 겹의 납과 구리로 절연된 측정 장치를 사용했다. 장치의 중심에는 고순도 게르마늄 결정이 있었다. 연구진은 62일 동안 이 결정에서 방출되는 스펙트럼을 기록했다. 추가 측정을 통해 연구팀은 차폐 및 측정에 사용된 물질로 인한 잡음을 포함하여 측정 블록 내의 배경 잡음을 파악하고, 이를 측정된 방사선 값에서 뺐다.

신호의 부재로 카롤리하지 이론 반박

결과:
모든 간섭 요인과 배경 잡음을 제거한 후, 아무것도 남지 않았다. 카롤리하지 이론에서 예측한 신호는 발견되지 않았다. "이 신호의 부재는 중요한 과학적 발견이다"고 쿠르체아누는 설명한다. 중첩 붕괴가 중력과 이론에서 가정한 시공간의 특이성 때문에 발생한다면, 이러한 특성이 측정 결과에 반영되어야 하기 때문이다.

"따라서 우리의 실험은 카롤리하지가 제시한 확장된 가우스 형태까지 포함하여 디코히어런스 메커니즘을 반박한다"고 물리학자들은 보고했다. 이는 중력이 원인에서 완전히 배제되는 것은 아니지만, 거시적 물체에서 중첩 붕괴에 있어 여전히 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 하지만 이번 결과는 중력에 기반한 많은 이론들을 배제하고 가능한 설명의 범위를 더욱 좁혔다.

그렇다면 지금은 어떨까?

"우리의 연구는 중력과 양자역학의 상호작용을 설명하는 이론을 찾는 데 한 걸음 더 다가섰다"라며 쿠르체아누는 덧붙였다. "이로써 우리는 기초 물리학의 가장 심오한 미스터리 중 하나를 해결하는 데 한 걸음 더 가까워졌다." 남은 가능성 중 하나는 디코히어런스의 잠재적 원인으로 중력 시간 팽창을 제시한 것이다. 물리학자들은 2015년에 이 설명을 발표했지만, 이를 검증하는 데 필요한 기술적 기반은 아직 부족하다.

출처: 니콜라 보르톨로티(로마 대학교) 외, New Journal of Physics, 2026; doi: 10.1088/1367-2630/ae774c

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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