December 13,2019

간단하고 새로운 중력 측정법 나왔다

원자의 중첩 현상 이용…통제된 상태서 측정 가능

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버클리 캘리포니아 대학 연구팀은 레이저에 의해 공중에 매달려 있는 중첩상태에 있는 두 원자의 미묘한 차이를 가지고 중력을 측정하는 새로운 방법을 발견했다.  연구팀은 이 새로운 중력 측정법이 전통적인 중력 측정법 보다 훨씬 더 유용하다고 설명했다.

전통적으로, 과학자들은 원자들이 높은 곳에서 얼마나 빨리 떨어지는가 하는 것을 추적함으로써 중력이 원자에 미치는 영향력을 측정했다. 이 같은 실험은 아인슈타인의 중력이론을 검증하고 정확하게 기본 중력 상수를 측정하는 데 도움이 될 수 있다. 하지만 자유낙하 실험에 사용되는 수 m에 달하는 튜브 장치는 예를 들어 자기장 같은 방해를 막는데 어려움을 겪을 수 있다.

이 같은 난관을 극복하기 위해 과학자들은 테이블 위에 만든 새 장치를 이용해서 지구의 중력 세기를 재는 획기적인 기술을 개발했다.  이들은 레이저 빛에 의해서 공기 중에 수 밀리미터 높이로 원자를 띄워놓고 측정하는 새로운 방법을 고안했다.

중첩상태에 들어간 세슘 원자의 개념도 ⓒ Sarah Davis

중첩상태에 들어간 세슘 원자의 개념도 ⓒ Sarah Davis

8일 사이언스(Science) 저널에 소개된 논문에 따르면 새로 설계한 이 장치를 이용하면 작은 물질에 의해 작용하는 중력의 힘을 더 잘 조사할 수 있다.

이 기술은 또한 세계의 여러 곳에서 발생하는 아주 사소한 중력의 변화를 측정하는데 사용될 수 있다. 이는 해저 지도를 작성하거나, 지하의 석유나 광물을 찾아내는데 도움을 줄 수 있다.

레이저로 세슘 원자를 공중에 띄워

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley)의 물리학자 빅토리아 수(Victoria Xu)와 동료들은 세슘 원자 구름을 공중에 발사한 다음, 빛을 이용해서 각 세슘 원자를 중첩상태로 분리시켰다.

양자가 이 이상한 불확실한 상태에 도달하면, 각 원자는 동시에 2곳에 위치하는 ‘중첩’ 현상이 나타난다. 한 원자는 다른 원자보다 수 마이크로미터 높은 곳을 맴도는 것이다. 수 연구팀은 이렇게 분리된 세슘 원자를 레이저에서 보낸 빛으로 공중에 붙잡는다.

중력장에 의해 아래로 당겨지지 않고 제자리에 고정되어 있는 원자를 이용해서 중력의 강도를 측정하려면, 원자의 이중성을 사용해야 한다. 이중성이란 원자가 파동의 성질과 함께 입자의 성질을 동시에 가지고 있는 것을 말한다.

이 같은 양자효과는 파동처럼 움직이는 빛이 광자라 불리는 입자처럼 작용하는 것과 마찬가지로, 입자인 원자가 파동처럼 작용하는 것을 의미한다. 이 같은 중첩에 걸린 각 세슘 원자는, 지구의 중력장에서 원자의 위치가 약간 다르다.

더 높은 위치에 있는 원자의 파동은 아래쪽에 있는 세슘 원자 보다 조금 더 빠른 파동을 보인다. 이 두 원자의 이 같은 차이를 추적함으로써 물리학자들은 그 지점에서 지구 중력의 강도를 계산할 수 있다.

MIT의 물리학자 앨런 제이미슨(Alan Jamison)은 사이언스 뉴스와 인터뷰를 통해  “이 새로운 기술의 가장 큰 장점은 통제된 측정이 가능하다는 점”이라고 설명했다.

그는 “10m 길이의 탑에서 이런 낙하 실험을 하는 것은 상당히 어려운 일”이라고 말했다. 자기장은 방어하기 어렵고, 특히 건물 내 모든 전기 시스템 등 곳곳에서 자기장이 만들어지기 때문이다. 새 측정법으로 중력을 재면, 그런 환경을 쉽게 피할 수 있다.

휴대용 중력 측정 장치로 활용 가능

이 새로운 측정법은 원자가 움직이지 않기 때문에 더 긴 시간 동안 측정이 이루어질 수 있다. 또한 측정장비가 매우 작기 때문에 휴대용 측정 장치를 만들어서 다양한 위치에서 중력을 측정할 수 있다.

책상 크기의 새로운 중력측정장비. 보라색빛의 레이저가 세슘원자를 밀폐된 챔버 안에 잡아둔다. ⓒ Victoria Xu

책상 크기의 새로운 중력 측정 장비. 보라색 빛의 레이저가 세슘 원자를 밀폐된 챔버 안에 잡아둔다. ⓒ Victoria Xu

공동 연구자인 홀저 뮐러(Holger Müller)는 이 같이 간단한 장비로 측정할 수 있으면, 더 짧은 중력효과도 측정할 수 있다고 말했다.

예를 들어 지구 전체의 중력을 측정하는 대신, 대리석 같은 작은 것의 중력을 측정할 수 있다. 광물 퇴적물을 식별하는 데 도움을 줄 수 있으며, 해저지형도를 그리는 데 도움을 줄 수 있다.

더 나아가, 새 중력 측정법은 암흑 물질의 본질을 이해하고 동등성 원리와 같은 다른 물리학 아이디어를 시험하려는 과학자들에게 유용할 수 있다.

영국 버밍엄 대학의 물리학자 카이 봉스(Kai Bongs)는 암흑 물질의 본질을 조사하거나 아인슈타인 중력 이론의 ‘등가원리’의 근본적인 특징을 시험하기 위해 새로운 종류의 원자 중력계를 사용하는 방안을 예상할 수 있다고 말했다.

물리학자들이 꿈꾸는 통일이론은 양자역학과 아인슈타인의 중력이론을 조화시키는 것이지만, 아직까지 성공을 거두지 못하고 있다. 왜냐하면 두 가지가 조화를 이루면 등가원리(equivalence principle)를 위반하기 때문이다.

이 차이를 찾는 것이 대통일장 이론으로 이끌지 모른다는 커다란 기대를 하게 한다고 카이 봉은 말했다.

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