아인슈타인의 등가 원리는 양자 세계에서도 성립한다
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-09-05 17:09:48
4분
양립 불가능한 것으로 여겨져 왔던 양자 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론 사이에 실제로 접점이 존재함을 증명
갈릴레오 갈릴레이가 관찰하고, 아이작 뉴턴이 정립했으며, 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론의 초석으로 삼은 등가 원리는 다른 힘이 작용하지 않는 한, 중력과 가속도는 물체의 질량과 재질에 관계없이 모든 물체에 동일하게 작용한다는 것이다. 예를 들어, 깃털과 납 공이 진공에서 같은 속도로 떨어지는 이유가 바로 이것이다.
연결 고리 찾기: 아인슈타인과 양자 역학
그렇다면 등가 원리는 양자 세계에서도 성립할까? "지금까지 물리학의 두 가지 초석인 양자역학과 일반 상대성 이론은 양립할 수 없는 상태로 존재해 왔다"고 네게브 벤구리온 대학교의 오르 도브코프스키(Or Dobkowsk) 교수와 그의 동료들은 설명했다. "이 둘을 연결하는 것은 물리학에서 가장 중요한 미해결 과제 중 하나다." 따라서 물리학자들은 두 이론의 교차점을 찾기 위해 집중적으로 연구하고 있다.
이론 모델은 양자 세계에서도 등가 원리가 적용된다는 가정 하에 자유 낙하가 양자 파동 묶음에 특정한 방식으로 영향을 미칠 것이라고 예측한다. 정지해 있는 양자 입자와 비교했을 때, 지구 중력의 영향을 받아 낙하하는 양자 물체는 특정한 위상 변화를 보여야 한다. "놀랍게도, 이 위상은 지금까지 측정된 적이 없다"고 물리학자들은 보고했다.
자유 낙하 중 얽힌 파동 묶음
도브코프스키 교수와 그의 동료들은 이제 이 실험을 성공적으로 수행했다. 이를 위해 그들은 루비듐 원자 구름을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각한 후 진공 챔버에 넣었다. 마이크로파를 이용하여 원자들을 양자 얽힘 상태로 만들었다. 양자 물리학 용어로, 이 원자들은 얽힌 파동 묶음으로 설명될 수 있다.
다음으로 낙하 실험을 진행했는데, 이를 위해 물리학자들은 새로운 측정 장비를 개발했다. 이른바 양자 갈릴레오 간섭계(QGI)라고 불리는 이 장비는 원자 칩을 사용하여 정밀하게 측정된 자기 펄스와 자기 기울기를 생성한다. 동시에 간섭 현상을 이용해 양자 파동 묶음의 위상을 비교함으로써 이론적 예측을 검증할 수 있다.
실험에서 얽힌 파동 묶음 중 하나는 자기장에 의해 공중에 떠 있는 상태로 유지되었다. 이 파동 묶음은 기준 파동 묶음 역할을 했다. 다른 파동 묶음은 먼저 자기 펄스에 의해 들어 올려진 후 떨어뜨렸다. 이 양자 물체는 기준 파동 묶음의 위치로 다시 떨어지기 전까지 짧은 시간 동안 자유 낙하 상태에 있었다. 그런 다음 물리학자들은 두 파동 묶음의 위상을 비교했다.
위상 측정으로 양자 역학에서 등가 원리 확인
실제로 측정 결과 미세한 변화가 관찰되었으며, 그 값은 이론적 예측과 일치했다. 도브코프스키 연구팀은 "자유 낙하하는 파동 묶음에 대한 등가 원리의 타당성을 뒷받침하는 위상을 높은 신뢰도로 확인했다. 따라서 이번 실험은 양자 이론과 중력의 접점에서 중요한 검증이 될 것이다"고 보고했다.
연구진은 "자연은 적어도 낮은 질량과 에너지 영역에서는 양자 역학과 등가 원리를 조화시킬 수 있는 것으로 보인다"고 결론지었다. 하지만 얽힌 양자 물체가 더 무겁고 에너지가 높을 때도 이러한 결과가 유지되는지는 아직 밝혀지지 않았다. 도브코프스키 연구팀은 이번 실험이 향후 이를 검증하는 데 중요한 발걸음이 될 것이라고 평가했다.
서로 다른 세계를 잇는 섬세한 연결고리
이번 실험 이후에도 양자 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 여전히 우리 물리적 세계관의 두 가지 핵심 "기둥"으로 남아 있다. 하지만 등가 원리가 양자 세계에도 적용될 수 있다는 사실은 적어도 몇 가지 접점을 보여주며, 오랫동안 찾아 헤매던 두 분야 간의 연결고리를 찾을 수 있는 잠재적인 출발점을 제시한다고 연구팀은 설명했다.
벤구리온 대학교의 론 폴만 수석 저자는 "이번 실험은 현대 물리학의 두 기둥을 포괄적인 이론적 틀 안에서 어떻게 통합할 수 있을지에 대한 단서를 제공한다"고 말했다.
출처: Or Dobkowski (벤구리온 대학교, 베르셰바) 외, Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aec8045
양립 불가능한 것으로 여겨져 왔던 양자 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론 사이에 실제로 접점이 존재함을 증명
아인슈타인의 등가 원리는 양자 세계에서도 성립한다
자유 낙하 하는 파동 묶음:
극저온 원자를 이용한 실험을 통해 아인슈타인의 등가 원리가 양자 객체에도 적용된다는 사실이 밝혀졌다. 이 실험에서 자유 낙하는 얽힌 파동 묶음의 위상을 이론적 모델에서 예측한 대로 변화시켰다. 이는 지금까지 양립 불가능한 것으로 여겨져 왔던 양자 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론 사이에 실제로 접점이 존재함을 증명한다.
 |
| ▲ 진공 챔버, 원자 칩 및 원자 냉각 및 제어 시스템을 포함한 실험 장치 © Or Dobkowski |
갈릴레오 갈릴레이가 관찰하고, 아이작 뉴턴이 정립했으며, 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론의 초석으로 삼은 등가 원리는 다른 힘이 작용하지 않는 한, 중력과 가속도는 물체의 질량과 재질에 관계없이 모든 물체에 동일하게 작용한다는 것이다. 예를 들어, 깃털과 납 공이 진공에서 같은 속도로 떨어지는 이유가 바로 이것이다.
연결 고리 찾기: 아인슈타인과 양자 역학
그렇다면 등가 원리는 양자 세계에서도 성립할까? "지금까지 물리학의 두 가지 초석인 양자역학과 일반 상대성 이론은 양립할 수 없는 상태로 존재해 왔다"고 네게브 벤구리온 대학교의 오르 도브코프스키(Or Dobkowsk) 교수와 그의 동료들은 설명했다. "이 둘을 연결하는 것은 물리학에서 가장 중요한 미해결 과제 중 하나다." 따라서 물리학자들은 두 이론의 교차점을 찾기 위해 집중적으로 연구하고 있다.
이론 모델은 양자 세계에서도 등가 원리가 적용된다는 가정 하에 자유 낙하가 양자 파동 묶음에 특정한 방식으로 영향을 미칠 것이라고 예측한다. 정지해 있는 양자 입자와 비교했을 때, 지구 중력의 영향을 받아 낙하하는 양자 물체는 특정한 위상 변화를 보여야 한다. "놀랍게도, 이 위상은 지금까지 측정된 적이 없다"고 물리학자들은 보고했다.
자유 낙하 중 얽힌 파동 묶음
도브코프스키 교수와 그의 동료들은 이제 이 실험을 성공적으로 수행했다. 이를 위해 그들은 루비듐 원자 구름을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각한 후 진공 챔버에 넣었다. 마이크로파를 이용하여 원자들을 양자 얽힘 상태로 만들었다. 양자 물리학 용어로, 이 원자들은 얽힌 파동 묶음으로 설명될 수 있다.
다음으로 낙하 실험을 진행했는데, 이를 위해 물리학자들은 새로운 측정 장비를 개발했다. 이른바 양자 갈릴레오 간섭계(QGI)라고 불리는 이 장비는 원자 칩을 사용하여 정밀하게 측정된 자기 펄스와 자기 기울기를 생성한다. 동시에 간섭 현상을 이용해 양자 파동 묶음의 위상을 비교함으로써 이론적 예측을 검증할 수 있다.
실험에서 얽힌 파동 묶음 중 하나는 자기장에 의해 공중에 떠 있는 상태로 유지되었다. 이 파동 묶음은 기준 파동 묶음 역할을 했다. 다른 파동 묶음은 먼저 자기 펄스에 의해 들어 올려진 후 떨어뜨렸다. 이 양자 물체는 기준 파동 묶음의 위치로 다시 떨어지기 전까지 짧은 시간 동안 자유 낙하 상태에 있었다. 그런 다음 물리학자들은 두 파동 묶음의 위상을 비교했다.
 |
| ▲ 실험 장치 개략도. 양자역학적으로 얽힌 두 개의 파동 묶음 중 하나는 정적으로 유지되고, 다른 하나는 탄도 궤적을 따라 이동하며 경로의 후반부에서 자유낙하한다. © Dobkowski et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0 |
위상 측정으로 양자 역학에서 등가 원리 확인
실제로 측정 결과 미세한 변화가 관찰되었으며, 그 값은 이론적 예측과 일치했다. 도브코프스키 연구팀은 "자유 낙하하는 파동 묶음에 대한 등가 원리의 타당성을 뒷받침하는 위상을 높은 신뢰도로 확인했다. 따라서 이번 실험은 양자 이론과 중력의 접점에서 중요한 검증이 될 것이다"고 보고했다.
연구진은 "자연은 적어도 낮은 질량과 에너지 영역에서는 양자 역학과 등가 원리를 조화시킬 수 있는 것으로 보인다"고 결론지었다. 하지만 얽힌 양자 물체가 더 무겁고 에너지가 높을 때도 이러한 결과가 유지되는지는 아직 밝혀지지 않았다. 도브코프스키 연구팀은 이번 실험이 향후 이를 검증하는 데 중요한 발걸음이 될 것이라고 평가했다.
서로 다른 세계를 잇는 섬세한 연결고리
이번 실험 이후에도 양자 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 여전히 우리 물리적 세계관의 두 가지 핵심 "기둥"으로 남아 있다. 하지만 등가 원리가 양자 세계에도 적용될 수 있다는 사실은 적어도 몇 가지 접점을 보여주며, 오랫동안 찾아 헤매던 두 분야 간의 연결고리를 찾을 수 있는 잠재적인 출발점을 제시한다고 연구팀은 설명했다.
벤구리온 대학교의 론 폴만 수석 저자는 "이번 실험은 현대 물리학의 두 기둥을 포괄적인 이론적 틀 안에서 어떻게 통합할 수 있을지에 대한 단서를 제공한다"고 말했다.
출처: Or Dobkowski (벤구리온 대학교, 베르셰바) 외, Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aec8045
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
