[미디어파인 칼럼 = 이상원 기자] 만약 당신이 미신을 믿는다면, 당신이 집으로 가는 길의 검은 고양이는 운이 좋지 않을 것이다. 마찬가지로, 양자물리학에서도 입자들은 결코 직접적으로 접촉하지 않는 자기장의 영향을 느낄 수 있다. 이제 과학자들은 이 섬뜩한 양자 효과가 자기장뿐만 아니라 중력에도 영향을 미친다는 것을 보여주었고 그것은 미신이 아니다.
보통 자기장의 영향을 느끼기 위해서는 입자가 통과해야 한다. 하지만 1959년 물리학자 야키르 아하로노프와 데이비드 봄은 구체적인 시나리오에서는 통념이 실패할 것으로 예측했다. 원통형 영역 안에 포함된 자기장은 입자에 영향을 줄 수 있는데, 그 예로 전자는 원통에 절대 들어가지 않는다. 이 시나리오에서 전자는 잘 정의된 위치가 아니라 "초위치"에 있으며, 입자가 다른 두 곳에서 구체화할 확률로 설명되는 양자 상태에 있다. 각 조각난 입자는 동시에 자기 원통을 중심으로 두 개의 다른 길을 걷는다. 전자에 손을 대지도 않고, 따라서 전자에 힘을 가하지도 않음에도 불구하고, 여러 실험에서 확인된 바와 같이 자기장은 마지막에 입자가 발견되는 패턴을 이동시킨다.
과학자들은 10미터 높이의 진공 챔버 안에서 루비듐 원자를 발사하고, 레이저로 그것들을 쳐서 두 개의 다른 경로를 추적하는 양자 중첩에 넣고 원자들이 어떻게 떨어지는지를 관찰했다. 특히 그 입자들은 중력장이 없는 영역에 있지 않았다. 대신, 연구자들이 중력의 영향을 걸러낼 수 있도록 실험이 설계되어 아하로노프-봄의 영향을 드러낼 수 있었다.
이 연구는 새로운 맥락에서 명망 있는 물리학적 효과를 드러낼 뿐만 아니라 중력계의 미묘한 효과들을 연구할 수 있는 가능성도 보여준다. 예를 들어, 연구자들은 이 기술을 사용하여 현재 다른 자연의 기본 상수들보다 덜 정확하게 알려진 뉴턴의 중력 상수 G를 더 잘 측정하는 것을 목표로 한다.
이 실험의 핵심은 간섭이라고 불리는 현상이다. 바다에서 합쳐지는 두 개의 파도가 더 큰 파도를 만드는 것처럼, 양자물리학에서는 원자와 다른 입자들이 덧셈과 뺄셈을 할 수 있는 파도처럼 행동한다. 과학자들은 원자들의 비행이 끝날 때쯤에 원자들의 파동이 간섭하도록 두 경로를 재결합한 다음, 원자들이 도착한 곳을 측정했다. 도착하는 위치는 파동의 정점과 골이 어디에 착륙하는지를 변경하는 위상 이동이라고 부르는 조정에 매우 민감하다.
이 실험의 기초가 되는 두 이론, 일반 상대성 이론과 양자 역학은 잘 맞지 않는다. 과학자들은 현실을 묘사하기 위해 그것들을 어떻게 결합해야 하는지 모른다. 그래서 양자 센서로 중력을 증명하는 것 그것이 정말로 현재 가장 중요한 도전 중 하나라고 과학자들은 생각한다.
[이상원 칼럼니스트]
고려대 산업경영공학과(재학 중)
미디어파인 대학생칼럼니스트 겸 기자