빛보다 빠른 가상 입자가 있을까? (영상)
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-07-15 19:04:18
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- 타키온(Tachyonen)은 빛보다 빠르게 날 수 있다.
- 1967년 미국의 물리학자 제럴드 파인버그(Gerald Feinberg)는 처음으로 이러한 가상 입자에 대해 "타키온(Tachyonen)"이라는 용어를 만들었다.
- 신비한 입자는 오늘날까지도 물리학자들 사이에서 계속해서 논쟁 중
스타트렉이나 다른 SF 시나리오에 나올 것 같은 소리가 난다. 타키온은 광속보다 빠른 속도로 우주를 질주하는 가상의 입자이므로 시간을 거슬러 올라갈 수도 있다. 이는 아무것도 빛보다 빠르게 이동할 수 없다는 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 명백히 위반하는 것처럼 들린다. 광자와 같은 질량이 없는 입자조차도 초당 약 300,000미터의 최대 속도에 도달한다.
빛보다 빠르다?
1962년에 물리학자들은 아인슈타인의 장 방정식이 질량이 있는 입자에 대해 빛보다 빠른 속도를 금지하지만, 격차가 있음을 보여주었다. 이론적으로 질량의 제곱이 음수 값을 가지므로 아인슈타인의 속도 제한을 초과할 수 있는 입자가 있을 수 있다. 이론에 따르면, 그들은 빛보다 더 빠른 속도로만 이동하면 된다.
이는 이러한 입자가 속도가 증가함에 따라 질량과 에너지를 잃기 때문에 가능하다. 이는 모든 일반 입자와 정확히 반대다. 빛보다 빠른 이러한 입자를 빛의 속도 이하로 늦추려면 무한한 양의 에너지를 공급해야 한다. 1967년 미국의 물리학자 제럴드 파인버그(Gerald Feinberg)는 처음으로 이러한 가상 입자에 대해 "타키온(Tachyonen)"이라는 용어를 만들었고 양자 물리학에 기초한 초기 설명을 제공했다. 따라서 힉스-보손과 유사한 타키온은 우주에 존재하는 스칼라장의 대칭이 자발적으로 깨짐으로써 생성된다.
세 가지 물리적 장애물
단순화된 이야기는 여기까지다. 그러나 물리적인 관점에서 볼 때 타키온에 관한 질문은 좀 더 복잡하다. 이러한 빛보다 빠른 입자는 끈 이론과 카시미르(Casimir) 효과의 틀 내에서 설명될 수 있지만 유효한 양자장 이론 내에서는 설명될 수 없다. 스톡홀름 대학의 Jerzy Paczos와 그의 동료들은 "적어도 세 가지 심각한 문제가 해결되지 않은 상태로 남아 있다"고 설명했다.
첫 번째 문제는 타키온의 에너지는 특정 조건에서 음의 값을 가질 수 있다. 이는 현재 이론에 따르면 불가능하다. 두 번째 장애물은 이전 계산에 따르면 양자 물리적 타키온 장이 바닥 상태에서 불안정하여 빛보다 빠른 입자의 눈사태를 유발할 수 있다는 것이다. 셋째, 관찰자의 상태에 따라 타키온의 수를 변경해야 한다. 이는 또한 일반적인 모델과 모순된다.
“이것이 지금까지 타키온이 신호의 불일치 또는 적어도 이론의 불안정성을 나타내는 바람직하지 않은 인공물로 여겨진 이유 중 하나다”고 물리학자들은 설명했다.
프레임이 너무 좁은 것일까?
이제 Paczos와 그의 팀은 이 세 가지 장애물이 오해에 기초할 수 있음을 입증하고 있다. 물리학자들은 “우리는 이러한 문제가 너무 작은 힐베르트 공간에서 로렌츠 그룹을 잘못 표현함으로써 발생한다는 것을 보여준다”고 설명했다. 힐베르트 공간은 양자 물리적 스칼라 필드의 가능한 상태를 설명한다. 로렌츠 그룹은 아인슈타인의 장 방정식과 같이 자연법칙을 설명하는 방정식의 대칭성을 설명한다.
간단히 말해서, 물리학자들은 타키온의 세 가지 문제를 물리적 통합 조건이 지금까지 너무 좁게 정의되었기 때문에 발생한다고 생각한다. 이러한 입자는 서로 다른 시간 프레임에서 움직이기 때문에(이론적으로 시간을 거슬러 올라갈 수 있음) 시스템의 초기 상태뿐만 아니라 최종 상태도 고려해야 한다. “타키온을 위한 공간을 만들기 위해서는 상태 공간을 확장해야 한다”고 물리학자들은 설명했다.
"미래가 그 반대가 아니라 현재에도 영향을 미칠 수 있다는 생각은 물리학에서 결코 새로운 것이 아니다"라고 바르샤바 대학의 수석 저자인 Andrzej Dragan은 말한다. "그러나 지금까지 이것은 기껏해야 일부 양자 현상에 대한 비정통적인 해석으로 여겼다.”
장애물이 제거되었다.
그들의 연구에서 물리학자들은 힐베르트 공간의 확장이 타키온의 양자 물리학적 설명에 대한 세 가지 주요 장애물을 크게 제거한다는 것을 입증했다. Paczos와 그의 팀은 "이 공간을 두 배로 늘림으로써 타키온 필드의 정확한 양자화를 허용하는 공변적 프레임워크를 구축해 이러한 모든 문제를 제거했다"고 썼다. 빛보다 빠른 입자는 양자장 이론에 통합될 수 있다.
그뿐만이 아니다:
연구원들에 따르면, 타키온의 통합은 힉스 보손과 그 양자장의 기원에 관한 공개 질문 중 일부를 명확히 할 수도 있다고 한다. Paczos와 그의 팀은 "우리의 양자화 접근 방식은 힉스 상 전이의 물리학을 이해하고 깨지지 않은 대칭 대 깨진 대칭의 역학을 명확하게 하는 데 도움이 될 수 있다"고 기술했다.
아니면?
그러나 다른 물리학자들은 Paczos와 그의 동료들의 접근 방식에 반대하며 그것이 유효하지 않다고 생각한다. 예를 들어, 서울 기초연구소의 Krzysztof Jodlowski는 이 솔루션이 작동하지 않을 것이라고 계산했다. "우리는 상호작용하는 타키온에 대해 제안된 양자장 이론이 근본적으로 상호작용의 국소성 원리를 위반한다는 것을 보여준다"고 Jodlowski는 반대 기사에서 말했다.
그의 의견으로는 아마도 음의 제곱 질량을 갖는 입자가 없을 것이며 따라서 타키온도 없을 것이다. "그들의 상호 작용에 대한 양자 역학적 설명은 의미가 없다"고 Jodlowski는 말한다. "양자장 이론의 표준 도구 상자에서 가져온 방정식은 비물리적 행동으로 이어진다.“
이는 빛보다 빠른 타키온이 존재하는지에 대한 논란이 여전히 남아 있다는 것을 의미한다. 적어도 그들의 존재가 공상과학의 영역으로 직접 추방될 정도로 비현실적이지는 않은 것 같다. 대신, 신비한 입자는 오늘날까지도 물리학자들 사이에서 계속해서 논쟁을 불러일으키고 있다. (Physical Review D, 2024; doi: 10.1103/PhysRevD.110.015006; arXiv preprint, 2024; doi: 10.48550/arXiv.2406.14225)
출처: 바르샤바 대학교, Physical Review D, arXiv,
- 타키온(Tachyonen)은 빛보다 빠르게 날 수 있다.
- 1967년 미국의 물리학자 제럴드 파인버그(Gerald Feinberg)는 처음으로 이러한 가상 입자에 대해 "타키온(Tachyonen)"이라는 용어를 만들었다.
- 신비한 입자는 오늘날까지도 물리학자들 사이에서 계속해서 논쟁 중
빛보다 빠른 타키온이 있을까?
이국적인 입자의 새로운 모델이 물리학자들 사이에서 논쟁을 촉발시켰다.
공상과학 소설이 아니다.
타키온(Tachyonen)은 빛보다 빠르게 날 수 있다. 적어도 일부 물리적 모델에서는 그렇게 말한다. 그러나 이러한 가상 입자가 상대성 이론과 양립할 수 있는지, 양자장 이론을 사용하여 설명할 수 있는지는 논란의 여지가 있다. 이제 물리학자들은 이 딜레마에 대한 가능한 해결책을 발표하고 논의를 다시 시작했다. 타키온의 문제점은 무엇인가?
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| ▲ 타키온은 적어도 이론상으로는 빛보다 빠르다. 하지만 이런 이국적인 입자가 실제로 존재할까? |
스타트렉이나 다른 SF 시나리오에 나올 것 같은 소리가 난다. 타키온은 광속보다 빠른 속도로 우주를 질주하는 가상의 입자이므로 시간을 거슬러 올라갈 수도 있다. 이는 아무것도 빛보다 빠르게 이동할 수 없다는 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 명백히 위반하는 것처럼 들린다. 광자와 같은 질량이 없는 입자조차도 초당 약 300,000미터의 최대 속도에 도달한다.
빛보다 빠르다?
1962년에 물리학자들은 아인슈타인의 장 방정식이 질량이 있는 입자에 대해 빛보다 빠른 속도를 금지하지만, 격차가 있음을 보여주었다. 이론적으로 질량의 제곱이 음수 값을 가지므로 아인슈타인의 속도 제한을 초과할 수 있는 입자가 있을 수 있다. 이론에 따르면, 그들은 빛보다 더 빠른 속도로만 이동하면 된다.
이는 이러한 입자가 속도가 증가함에 따라 질량과 에너지를 잃기 때문에 가능하다. 이는 모든 일반 입자와 정확히 반대다. 빛보다 빠른 이러한 입자를 빛의 속도 이하로 늦추려면 무한한 양의 에너지를 공급해야 한다. 1967년 미국의 물리학자 제럴드 파인버그(Gerald Feinberg)는 처음으로 이러한 가상 입자에 대해 "타키온(Tachyonen)"이라는 용어를 만들었고 양자 물리학에 기초한 초기 설명을 제공했다. 따라서 힉스-보손과 유사한 타키온은 우주에 존재하는 스칼라장의 대칭이 자발적으로 깨짐으로써 생성된다.
세 가지 물리적 장애물
단순화된 이야기는 여기까지다. 그러나 물리적인 관점에서 볼 때 타키온에 관한 질문은 좀 더 복잡하다. 이러한 빛보다 빠른 입자는 끈 이론과 카시미르(Casimir) 효과의 틀 내에서 설명될 수 있지만 유효한 양자장 이론 내에서는 설명될 수 없다. 스톡홀름 대학의 Jerzy Paczos와 그의 동료들은 "적어도 세 가지 심각한 문제가 해결되지 않은 상태로 남아 있다"고 설명했다.
첫 번째 문제는 타키온의 에너지는 특정 조건에서 음의 값을 가질 수 있다. 이는 현재 이론에 따르면 불가능하다. 두 번째 장애물은 이전 계산에 따르면 양자 물리적 타키온 장이 바닥 상태에서 불안정하여 빛보다 빠른 입자의 눈사태를 유발할 수 있다는 것이다. 셋째, 관찰자의 상태에 따라 타키온의 수를 변경해야 한다. 이는 또한 일반적인 모델과 모순된다.
“이것이 지금까지 타키온이 신호의 불일치 또는 적어도 이론의 불안정성을 나타내는 바람직하지 않은 인공물로 여겨진 이유 중 하나다”고 물리학자들은 설명했다.
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프레임이 너무 좁은 것일까?
이제 Paczos와 그의 팀은 이 세 가지 장애물이 오해에 기초할 수 있음을 입증하고 있다. 물리학자들은 “우리는 이러한 문제가 너무 작은 힐베르트 공간에서 로렌츠 그룹을 잘못 표현함으로써 발생한다는 것을 보여준다”고 설명했다. 힐베르트 공간은 양자 물리적 스칼라 필드의 가능한 상태를 설명한다. 로렌츠 그룹은 아인슈타인의 장 방정식과 같이 자연법칙을 설명하는 방정식의 대칭성을 설명한다.
간단히 말해서, 물리학자들은 타키온의 세 가지 문제를 물리적 통합 조건이 지금까지 너무 좁게 정의되었기 때문에 발생한다고 생각한다. 이러한 입자는 서로 다른 시간 프레임에서 움직이기 때문에(이론적으로 시간을 거슬러 올라갈 수 있음) 시스템의 초기 상태뿐만 아니라 최종 상태도 고려해야 한다. “타키온을 위한 공간을 만들기 위해서는 상태 공간을 확장해야 한다”고 물리학자들은 설명했다.
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"미래가 그 반대가 아니라 현재에도 영향을 미칠 수 있다는 생각은 물리학에서 결코 새로운 것이 아니다"라고 바르샤바 대학의 수석 저자인 Andrzej Dragan은 말한다. "그러나 지금까지 이것은 기껏해야 일부 양자 현상에 대한 비정통적인 해석으로 여겼다.”
장애물이 제거되었다.
그들의 연구에서 물리학자들은 힐베르트 공간의 확장이 타키온의 양자 물리학적 설명에 대한 세 가지 주요 장애물을 크게 제거한다는 것을 입증했다. Paczos와 그의 팀은 "이 공간을 두 배로 늘림으로써 타키온 필드의 정확한 양자화를 허용하는 공변적 프레임워크를 구축해 이러한 모든 문제를 제거했다"고 썼다. 빛보다 빠른 입자는 양자장 이론에 통합될 수 있다.
그뿐만이 아니다:
연구원들에 따르면, 타키온의 통합은 힉스 보손과 그 양자장의 기원에 관한 공개 질문 중 일부를 명확히 할 수도 있다고 한다. Paczos와 그의 팀은 "우리의 양자화 접근 방식은 힉스 상 전이의 물리학을 이해하고 깨지지 않은 대칭 대 깨진 대칭의 역학을 명확하게 하는 데 도움이 될 수 있다"고 기술했다.
아니면?
그러나 다른 물리학자들은 Paczos와 그의 동료들의 접근 방식에 반대하며 그것이 유효하지 않다고 생각한다. 예를 들어, 서울 기초연구소의 Krzysztof Jodlowski는 이 솔루션이 작동하지 않을 것이라고 계산했다. "우리는 상호작용하는 타키온에 대해 제안된 양자장 이론이 근본적으로 상호작용의 국소성 원리를 위반한다는 것을 보여준다"고 Jodlowski는 반대 기사에서 말했다.
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그의 의견으로는 아마도 음의 제곱 질량을 갖는 입자가 없을 것이며 따라서 타키온도 없을 것이다. "그들의 상호 작용에 대한 양자 역학적 설명은 의미가 없다"고 Jodlowski는 말한다. "양자장 이론의 표준 도구 상자에서 가져온 방정식은 비물리적 행동으로 이어진다.“
이는 빛보다 빠른 타키온이 존재하는지에 대한 논란이 여전히 남아 있다는 것을 의미한다. 적어도 그들의 존재가 공상과학의 영역으로 직접 추방될 정도로 비현실적이지는 않은 것 같다. 대신, 신비한 입자는 오늘날까지도 물리학자들 사이에서 계속해서 논쟁을 불러일으키고 있다. (Physical Review D, 2024; doi: 10.1103/PhysRevD.110.015006; arXiv preprint, 2024; doi: 10.48550/arXiv.2406.14225)
출처: 바르샤바 대학교, Physical Review D, arXiv,
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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