낙하하는 원자가 보여준 중력의 양자 위상…아인슈타인 예측과 일치

국제 연구진은 퀀텀 갈릴레오 간섭계(Quantum Galileo Interferometer) 를 이용해 초저온 루비듐 원자가 지구 중력장 속에서 축적하는 양자 위상차를 직접 측정했다. 원자파가 두 경로를 동시에 따르도록 만든 뒤 다시 합쳐 간섭을 관측한 결과, 측정값은 실험 정밀도 범위에서 아인슈타인의 등가원리가 예측하는 위상과 일치했다. 24

무엇을 측정했나

양자 입자는 파동으로 기술되며, 시간이 흐르거나 서로 다른 환경을 지나면 파동의 위상이 변할 수 있다. 위상 자체는 곧바로 보이지 않지만, 같은 양자 상태에서 갈라진 두 경로를 다시 합치면 위상차가 간섭무늬의 변화로 나타난다.

연구진은 원자 칩 근처의 루비듐 원자에 마이크로파 펄스를 가해 두 개의 결맞은 경로가 공존하는 중첩 상태를 만들었다. 한 경로는 자기장으로 중력을 상쇄해 실험실 기준에서 거의 정지한 상태로 유지했다. 다른 경로는 위쪽으로 발사한 뒤 중력에 따라 상승하고 하강하는 탄도, 즉 자유낙하 궤적을 따르게 했다. 이후 두 경로를 재결합해 두 원자파 사이의 중력 유래 위상차를 간섭 신호로 읽어냈다. 24

핵심은 단순히 원자가 떨어지는 모습을 추적한 것이 아니라는 점이다. 두 대안적 경로를 동시에 따르는 결맞은 양자 물질파에서 중력이 만든 상대 위상을 측정했다. 이번 조건에서 얻은 값은 등가원리에 기반한 예측과 부합했다. 24

이 결과가 뜻하는 것

등가원리는 자유낙하하는 작은 영역에서는 중력의 효과와 가속의 효과를 구분할 수 없다는 아인슈타인 중력 이론의 핵심 원리다. 이번 실험은 약한 지구 중력장 속 초저온 루비듐 원자라는 범위에서, 양자역학적 중첩과 간섭의 진화가 이 원리에서 나오는 예측과 일관됨을 보여준다. 24

따라서 이는 흔히 긴장 관계로 설명되는 두 틀 사이의 중요한 실험적 연결고리다. 원자의 중첩과 간섭은 양자역학으로 설명되고, 두 경로의 위상차에는 중력이 관여한다.

그러나 ‘양자중력의 증명’은 아니다

이번 성과를 양자역학과 일반상대성이론의 통일로 해석해서는 안 된다. 중력이 양자화돼 있다는 사실, 중력자(graviton)의 존재, 또는 중력이 근본적으로 양자인지 고전적인지를 이번 실험만으로 판별한 것은 아니다. 23

중력의 양자적 성격을 더 직접적으로 시험하는 한 방법은, 충분히 잘 격리된 두 질량체 사이에서 중력이 얽힘을 만들어낼 수 있는지 확인하는 것이다. 제안된 실험들은 마이크로미터 규모 결정체를 각각 공간적 중첩 상태로 만들고, 두 물체의 중력 상호작용이 얽힘을 낳는지를 검사한다. 질소-공공(NV) 중심 같은 스핀계를 포함한 나노다이아몬드가 후보 물질로 거론된다. 34

펜로즈의 ‘중력 관련 붕괴’ 가설은 어디에 놓이나

로저 펜로즈는 충분히 무거운 물체가 서로 떨어진 위치에 중첩돼 있으면, 각 중첩 가지가 서로 다른 시공간 기하를 뜻하게 되어 그 상태가 무한정 유지되기 어렵다고 제안했다. 관련된 디오시-펜로즈(Diósi–Penrose) 모형에서는 중첩된 질량 분포 사이의 중력적 자기 에너지 차이가 결맞음 붕괴 시간과 연결된다. 36

이는 표준 양자역학이 어떤 규모에서는 수정돼야 할 수 있다는 가설이지, 이번 루비듐 원자 실험이 내린 결론은 아니다. 단일 원자는 이들 모형의 효과가 가장 뚜렷하게 나타날 것으로 예상되는, 크고 공간적으로 충분히 분리된 질량계와는 거리가 있다.

더 무거운 양자 물체가 다음 시험대인 이유

붕괴 모형을 시험하려면 개별 원자보다 훨씬 무거운 물체를 공간적으로 중첩시키고, 통상적인 환경 잡음으로 설명할 수 없는 결맞음 손실이 나타나는지 찾아야 한다. 관련 연구 검토에서는 표준 양자이론이 허용하는 중첩을 붕괴 모형이 금지할 수 있으므로, 무거운 물체의 공간적 중첩이 가장 직관적인 시험법으로 제시된다. 33

향후 나노다이아몬드나 다른 미소 결정 같은 중간 규모 입자를 쓰는 간섭계는 공기 분자 충돌, 열복사, 진동 등 일반적인 환경 요인으로 인한 결맞음 상실을 매우 엄격히 통제해야 한다. 실험이 특정 모형이 예측하는 붕괴 시간보다 오래 간섭을 유지한다면 그 모형은 제약을 받게 된다. 반대로 질량·분리 거리·시간에 따른 예측 의존성을 보이는 추가적인 결맞음 손실이 재현된다면 중요한 단서가 될 수 있다. 다만 그 경우에도 비중력적 잡음과 다른 설명을 배제해야 한다. 333436

현재로서 퀀텀 갈릴레오 간섭계의 결론은 분명하면서도 범위가 제한적이다. 시험된 조건에서 자유낙하하는 양자 물질파는 등가원리가 예측한 중력 위상을 축적했다. 24