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중력과 양자 물리학의 호환성을 테스트하기 위한 새로운 실험

시공간은 양자화되어 있는가?
중력과 양자 물리학의 호환성을 테스트하기 위한 새로운 실험

이것은 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나다. 물리학자들은 아인슈타인의 시공간 정의와 양자역학을 조화시키려고 거의 100년 동안 노력해 왔지만, 지금까지 헛수고였다. 이제 중력의 본질과 양자 물리학과의 관계를 테스트하기 위한 새로운 제안이 있다. 이에 따르면 두 가지 다른 실험을 통해 시공간이 양자화되었는지 아니면 "고전적인" 물리학 법칙을 따르는지 보여줄 수 있다. 필요한 정밀도로 이러한 테스트를 구현하는 것이 주요 과제다. 

▲ 시공간과 중력을 양자 이론과 어떻게 조화시킬 수 있을까? 두 가지 실험을 통해 이들의 연관성을 더 밝힐 수 있다. © Isaac Young

알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 곡률로 설명해 물리학의 세계관에 혁명을 일으켰다. 하지만 이는 중력을 물리적으로 이상하게 만들기도 한다. 다른 기본 힘은 운반체 입자를 기반으로 하고 양자 물리 법칙을 따르는 반면, 중력은 고전 물리학에 의해서만 정의된다. 상응하는 입자가 있는지는 시공간의 성질만큼 불분명하다. 아인슈타인 자신도 이론에서 중력을 다른 기본 힘과 결합하는 데 실패했다.

시공간의 본질에 관한 퍼즐

런던대학교(University College London)의 조나단 오펜하임(Jonathan Oppenheim)은 “양자 이론과 아인슈타인의 중력 이론은 수학적으로 양립할 수 없다”고 설명한다. “이러한 모순을 어떻게 해결할 수 있는지 결정하는 것이 더욱 중요하다. 시공간을 양자화해야 할까? 양자 이론을 수정해야 할까? 아니면 그 뒤에 완전히 다른 뭔가가 있는 걸까?” 루프 양자 중력, 끈 이론 또는 초유체 시공간 개념을 포함하여 여러 모델이 대조를 연결하려고 시도했다.

그러나 지금까지 모든 가정은 한 가지 중요한 지점에서 실패했다. 즉, 시공간이 양자화되었는지를 증명할 수 없다. 중성미자 측정을 통해 이미 좀 더 극단적인 모델 변형이 배제되었지만, 기본적인 질문에는 여전히 답이 없다. "물리학에서 가장 중요한 임무는 중력의 양자적 특성을 테스트할 수 있는 실험을 개발하는 것이다"고 워릭 대학교의 Gavin Morley는 설명했다.

양자와 중력은 어떻게 상호작용하는가?

이제 두 팀의 물리학자가 새로운 아이디어를 발전시켰다. 둘 다 고전적이고 양자화되지 않은 시공간이 양자 물리 입자와 특별한 방식으로 상호 작용해야 한다는 아이디어에 기반을 두고 있다. 오펜하임은 “고전적 환경과 양자 사이의 이러한 상호작용은 상충관계를 만들어낸다”고 설명한다. 이에 따르면, 시공간은 입자가 양자 물리적 얽힘과 중첩 상태로 얼마나 오래 머무를 수 있는지에 영향을 주어야 한다.

Oppenheim은 ​​“고전 시스템이 강한 확산을 받지 않으면 긴 일관성 시간을 갖는 양자 시스템을 가질 수 없다”고 설명했다. 즉, 중력의 영향을 받아 공간에서 상대적으로 안정적인 얽힘을 생성할 수 있다면 시공간은 어느 정도 예측 불가능하므로 변동이 있어야 한다. 오펜하임의 동료인 캐나다 페리미터 연구소의 재커리 웰러-데이비스(Zachary Weller-Davies)는 "시공간이 양자화되지 않으면 곡률에 임의의 변동이 있어야 하며 이는 실험적으로 입증될 수 있다"고 설명했다.

첫 번째 테스트: 체중의 시간적 변동

구체적으로 물리학자들은 두 가지 실험을 제안했다. 첫 번째 방법은 놀랍도록 간단하게 들린다. 가능한 정확하게 측정할 수 있는 질량을 가진 물체(예: 킬로그램의 기준 구)를 가져와 반복적으로 무게를 결정한다. 측정값이 충분히 정확하다면 결과에 시간에 따른 작은 변동이 있는지 확인할 수 있다. 이것의 정도는 시공간 변동과 중력이 얼마나 강한지를 밝힐 수 있다.

▲ 첫 번째 테스트는 질량 측정을 기반으로 한다. 이를 통해 중력의 시간적 변동을 감지할 수 있다. © Isaac Young

문제:
"실험 개념은 간단하지만, 테스트 개체의 무게는 극도로 정밀하게 측정되어야 한다"고 Oppenheim의 동료 Carlo Sparaciari는 설명했다. 그러나 이미 중력 변동 증가에 대한 초기 징후가 있을 수 있다. “뉴턴의 중력 상수 G를 측정하기 위한 다양한 실험에서 5 x 10-4 m3kg-1s-2 이상 차이가 나는 상대 불확도의 결과가 나온 것은 흥미롭다. 물리학자들은 이렇게 썼다. "그건 평균보다 훨씬 더 높은 수치다.”

두 번째 테스트: 얽힌 마이크로 다이아몬드

두 번째 실험은 시공간과 양자물리학 사이의 상호작용의 다른 측면, 즉 중첩의 일관성을 조사하기 위한 것이다. 여기에는 가능한 가장 무겁고 밀도가 높은 물체가 정의되지 않은 양자 상태에 얼마나 오랫동안 머무를 수 있는지 측정하는 것이 포함된다. Morley와 그의 팀은 이러한 목적을 위해 구체적인 프로젝트를 계획하고 있다. 그들의 실험에서는 두 개의 마이크로 다이아몬드를 진공 중에 매달아 얽히고 중첩된 상태로 유지해야 했다.

▲ 두 번째 테스트 절차에서 물리학자들은 떠다니는 마이크로다이아몬드를 얽히게 하려고 한다. 이는 레이저를 사용하여 확인할 수 있다. © Gavin Morley

“각 다이아몬드는 슈뢰딩거 고양이의 미니 버전이다”고 Morley는 설명한다. 방사성 붕괴에 의해 촉발된 중독 메커니즘과 함께 상자에 갇혀 있는 이 가상의 고양이는 물리학자 에르빈 슈뢰딩거에게 중첩의 예시로 사용되었다. 상자가 닫혀 있는 한 고양이가 살아 있는지 죽었는지 알 수 없다. 중첩 불확정 상태의 입자의 양자 상태도 마찬가지다. “시공간이 양자화된다면 우리는 미니 다이아몬드를 서로 얽힐 수 있을 것이다”고 Morley는 말했다.

이 얽힘의 성공 여부와 지속 시간은 시공간이 양자화되었는지를 밝힐 수 있다. 그러나 실제 구현은 여기서도 쉽지 않다. "예를 들어 두 다이아몬드 입자 사이의 모든 비중력 상호작용을 제거해야 한다. 이는 중력이 너무 약하기 때문에 엄청나게 어렵다"고 예일 대학의 Morley 동료는 설명했다.

구현하기 어렵지만 중요함

유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 수가토 보스(Sougato Bose)는 “이러한 실험을 사용하여 시공간의 본질을 테스트하려면 많은 노력이 필요하지만, 자연의 기본 법칙을 이해하는 데 엄청난 중요성을 갖는다”며 “이러한 실험은 곧 실현될 것이라고 생각한다. 아마도 우리는 앞으로 20년 안에 답을 얻게 될 것이다”고 말했다.
오펜하임과 그의 팀은 또한 이러한 테스트를 사용하여 시공간과 양자 세계 사이의 상호 작용을 조사할 수 있다고 확신한다. "흥미로운 점은 매우 일반적인 가정에서 시작하여 측정 가능한 두 양, 즉 시공간 변동의 정도와 서로 다른 위치에 얽힌 두 물체가 양자 물리적 중첩 상태로 유지될 수 있는 시간 사이의 명확한 관계를 확인할 수 있다는 것이다"고 스파라시아리(Sparaciari)가 말했다.
(Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-43348-2)
출처: University College London, University of Warwick

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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