아인슈타인 등가원리, 양자 자유낙하 실험으로 처음 검증

실험의 동기: 두 이론의 접점

일반상대성이론과 양자역학은 각자의 영역에서 극히 정밀한 검증을 통과해 왔지만, 두 이론을 아우르는 단일 이론적 틀은 아직 존재하지 않는다. 아인슈타인의 등가원리는 자유낙하하는 관측자에게는 중력이 국소적으로 사라진다고 서술한다. 이 원리는 통상적 물질에 대해서는 매우 높은 정밀도로 확인됐으나, 복수의 경로를 동시에 따를 수 있는 양자 객체에 대해서는 실험적 탐색이 이루어지지 않은 상태였다.

양자 갈릴레오 간섭계: 장치와 절차

연구팀은 Ben-Gurion 대학에 구축한 새 실험 장치 '양자 갈릴레오 간섭계(Quantum Galileo Interferometer)'를 활용했다. 절대영도 근방까지 냉각된 루비듐 원자 구름을 Ben-Gurion 대학에서 제작한 원자 칩 표면 가까이에서 조작하는 방식이다.

실험 절차는 크게 세 단계로 구성된다. 첫째, 마이크로파 펄스로 원자를 양자 중첩 상태에 놓아 두 경로로 분기한다. 둘째, 칩의 미세 전선이 생성하는 자기장을 이용해 한쪽 파동에는 중력과 정확히 반대되는 힘을 가해 실험실 기준계에서 정지 상태를 유지시키고, 나머지 파동은 자기장의 영향을 거의 받지 않는 상태로 전환해 자유낙하시킨다. 셋째, 낙하가 끝난 뒤 두 파동을 재결합해 간섭 패턴에서 두 경로 간 양자 위상 차이를 읽어낸다. 측정된 위상은 등가원리를 양자 파동에 적용했을 때 이론이 예측하는 값과 일치했다.

결과의 의미와 해석의 경계

이번 실험이 확인한 사실은 명확히 한정돼 있다. 중력 자체가 양자적 성질을 가짐을 증명한 것이 아니며, 두 이론을 통합하는 새 이론을 제시하지도 않는다. 연구팀이 보인 것은 검증된 실험 조건 안에서 등가원리가 양자역학과 정합적이라는 점이다.

공동저자인 Roger Penrose 옥스퍼드대 교수가 제안한 '충분히 무거운 물체를 충분히 오랫동안 중첩 상태로 유지하면 양자역학이 붕괴될 수 있다'는 가설도 이번 결과로 반증되지 않는다. 이번 실험에서 다룬 원자의 질량과 중첩 유지 시간은 그 가설을 시험하기에 충분하지 않기 때문이다.

후속 연구 전망

연구팀은 이 기술을 나노다이아몬드처럼 훨씬 무거운 물체로 확장하는 실험을 이미 Ben-Gurion 대학에서 진행 중이라고 밝혔다. 질량과 중첩 유지 시간을 충분히 키우면 Penrose 가설을 실험적으로 검증하는 것이 가능해진다. 이번 연구는 그 방향으로 나아가기 위한 기술적 출발점을 제공한다.

이번 연구에는 Ben-Gurion 대학, 옥스퍼드대, 사우샘프턴대, 독일항공우주센터 양자기술연구소(울름), 울름 대학, 텍사스A&M 대학 소속 연구자들이 참여했다.