[미디어파인 칼럼 = 이상원 기자] 양자 입자들은 그들이 출발한 곳으로 바로 돌아가야 한다. 물리학자들은 이론적으로 예측된 양자 부메랑 효과라고 불리는 현상을 확인했다. 한 실험에 따르면 넛지가 주어지면 특정 물질의 입자들은 평균적으로 출발점으로 되돌아간다고 연구자들이 논문에 보고했다.
입자들이 무질서가 많은 물질 안에 있다면 부메랑이 될 수 있다. 질서정연하게 배열된 원자들로 이루어진 자연 그대로 물질 대신에 누락되거나 잘못 배열된 원자들 또는 곳곳에 뿌려진 다른 원자들과 같은 많은 결함이 있어야 한다.
1958년에 물리학자 필립 앤더슨은 충분한 무질서와 함께 물질의 전자들이 국소화된다는 것을 깨달았다. 그것들은 제자리에 갇혀서 출발한 곳에서 매우 멀리 이동할 수 없다. 고정된 전자들은 물질이 전기를 전도하는 것을 막아서 그렇지 않으면 금속일 수도 있는 것을 절연체로 만든다. 그 국소화는 부메랑 효과에도 필요하다.
부메랑이 실제로 작동하는 모습을 그려보기 위해, 샌타바버라 캘리포니아 대학의 물리학자 데이비드 웰드는 몸을 움츠리고 무질서한 물질 안으로 미끄러져 들어가는 모습을 상상해 보았다. 그는 만약 그가 전자 하나를 버리려고 하면 전자는 돌아서서 곧장 내게로 돌아올 뿐만 아니라 내게도 돌아와서 멈출 것이라고 말한다.
용접부와 동료들은 전자를 대신하는 역할로 차가운 리튬 원자를 사용하여 이 효과를 입증했다. 원래 위치로 돌아가는 원자를 찾는 대신, 연구팀은 운동량에 대한 유사한 상황을 연구했는데, 이는 실험실에서 만들기가 비교적 간단했기 때문이다. 원자들은 처음에는 정지해 있었지만, 레이저로 운동량을 준 후, 평균적으로 원자들이 원래 정지 상태로 돌아와서 운동량 부메랑이 되었다.
그 팀은 부메랑을 깨기 위해 무엇이 필요한지도 알아냈다. 작동하기 위해서 부메랑 효과는 시간-역 대칭성을 필요로 하는데 이것은 입자들이 되감기 할 때처럼 시간이 앞으로 흐를 때 똑같이 행동해야 한다는 것을 의미한다. 레이저로부터 첫 번째 발차기의 타이밍을 바꿈으로써 연구자들은 시간-역대칭성을 깨트렸고, 예측했던 대로, 부메랑 효과는 사라졌다.
그 이상한 효과는 양자물리학의 결과이다. 양자 입자는 복잡한 방식으로 더하고 뺄 수 있는 파문과 함께 파동처럼 작용한다. 그 파동들은 결합하여 입자가 원래의 위치로 돌아오는 궤적을 강화하고 다른 방향으로 나가는 경로를 취소한다.
[이상원 칼럼니스트]
고려대 산업경영공학과(재학 중)
미디어파인 대학생칼럼니스트 겸 기자