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물리 슈뢰딩거 고양이를 죽이는 중력
2015.09.27 20:01
슈뢰딩거 고양이를 죽이는 중력http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060353&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-24 | |
| 뒤틀린 시공간이 대규모 물체의 양자중첩을 막는다는 주장을 이론가들이 제기했다. 만약 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)의 유명한 사고실험에 나온 고양이가 양자이론에 따라서 거동한다면, 그 고양이는 여러 상태로 동시에 존재함으로써 죽어있으면서 살아있을 것이다. 고양이나 일상생활의 어떠한 면에서도 우리가 그러한 양자중첩을 관찰하지 못하는 이유에 대한 물리학자들의 일반적인 설명은 환경의 간섭이다. 양자 물체가 표유 입자나 지나가는 장(fields)과 상호작용을 하자마자, 그 물체는 단 하나의 상태를 골라잡아 우리의 고전적인 일상의 모습으로 붕괴된다는 것이다. 그러나 물리학자들이 양자중첩 상태의 큰 물체를 완벽하게 고립시킬 수 있다고 하더라도, 적어도 지구의 표면에 있는 그 물체는 하나의 상태로 붕괴될 것이라고 비엔나대(University of Vienna) 연구진은 말했다. “성간 공간 어딘가에서는 고양이가 양자 결맞음을 보전할 기회를 가질 수도 있겠지만, 지구 혹은 임의의 행성에서는 그럴 가망성이 거의 없다”고 이고르 피코브스키(Igor Pikovski)는 말했다. 그는 그 이유가 중력이라고 주장했다. 6월 15일 ‘Nature Physics`에 발표된 논문에서 소개된 피코브스키와 동료들의 아이디어는 지금으로서는 수학적 주장에 불과하다. 그러나 중력이 실제로 양자중첩을 붕괴시키는지에 대한 시험을 실험가들은 기대하고 있다고 영국 사우샘프턴대(University of Southampton)의 실험물리학자 헨드릭 울브리히트(Hendrik Ulbricht)는 말했다. “이 논문은 훌륭하고 새로운 아이디어이며, 나는 그것을 실험으로 확인하기 위해 시도할 것이다. 하지만 시험 기술을 확보하는 데에는 10년 정도 걸릴지 모른다”고 그는 말했다. 영화 인터스텔라(Interstellar)를 관람한 영화팬들이라면 이미 비엔나 팀의 연구의 배경이 되는 기초원리에 익숙할 것이다. 아인슈타인의 일반상대론에서는 극도로 거대한 물체는 근처에 있는 시계가 더 천천히 작동하도록 만들며, 그 이유는 그 물체의 강력한 중력장이 시공간 구조를 늘이기 때문이라고 말한다. 영화에서 지구에서는 7년이나 지났지만, 주인공은 블랙홀 근처에서 단 1시간만 나이를 먹었던 이유도 그렇다. 미시적인 규모에서는, 지구 표면에 더 가까이 놓인 분자가 약간 더 멀리 떨어져 있는 분자보다 약간 더 느린 시계를 경험한다. 시공간에 대한 중력의 영향 때문에, 분자 위치의 변동도 그 분자의 내부에너지에 영향을 줄 것이라는 것을 피코브스키 팀은 깨달았다. 내부 에너지는 분자 내부의 입자들의 진동이며, 시간에 따라 점진적으로 변화한다. 만약 하나의 분자가 두 장소들의 양자중첩 상태에 놓인다면, 위치와 내부에너지 사이의 상관관계로 인해서 그 이중성은 곧 단 하나의 경로만 갖는 분자로 결어긋나게 될 것이라고 그들은 제안했다. “대부분의 상황에서 결어긋남은 어떤 외부적인 것에 기인한다. 여기서는 마치 내부의 흔들림이 분자 자체의 운동과 상호작용을 하는 것 같다”고 피코브스키는 말했다. 아직 이 효과를 아무도 관찰하지 못하는 이유는 자기장, 열복사 및 진동과 같은 결어긋남의 다른 원인들이 훨씬 더 강하기 때문이며 중력이 문제가 되기 훨씬 이전에 양자 시스템을 붕괴시키기 때문이다. 그러나 실험가들은 시도해보고 싶어 한다. 비엔나대의 실험물리학자인 마르쿠스 안트(Markus Arndt)는 비록 고양이 크기는 아니지만 큰 물체에 대해서 양자중첩이 관찰될 수 있는지를 이미 시험하고 있다. 그는 다수의 분자들을 물질파 간섭계에 통과시키고 있다. 물질파 간섭계는 각각의 분자가 2가지 서로 다른 경로들 중에서 선택하도록 만드는 시스템이다. 고전적인 관점에서, 하나의 분자는 단 하나의 경로를 따라 이동한다. 양자 분자는 사실상 양쪽 경로를 동시에 통과하며 자기자신과 간섭하여 파동과 비슷한 특정적인 패턴을 만든다. 다른 경로에 대한 한 경로의 시간이 늘어남으로 인해 중첩이 곧 결어긋나게 되는 수직 간섭계를 중첩이 유지되는 수평 간섭계에 비교함으로써, 양자특성을 파괴하는 중력의 능력을 시험하는데 비슷한 실험장치를 이용할 수 있을 것이다. 최대 810개의 원자들로 이루어진 분자들에 대한 영향을 시험한 안트는 다수의 분자들은 내부에너지에 기여하는 많은 입자들을 포함하고 있기 때문에 중력 효과를 시험하기에 좋다고 말했다. 그러나 다른 결어긋남 효과를 줄이기 위해서 연구진은 외부환경을 더욱 억제해야 하며, 또한 마이크로미터에서 미터 수준으로 두 경로들의 간격을 증가시켜야 하거나, 그렇지 않으면 아마 백만배는 더 큰 분자를 이용해야 할 것이다. “그것은 확실히 매우 도전적인 일”이라고 안트는 말했다. 만약 중력의 효과가 지구에서 양자특성을 제한한다면, 큰 물체에 대한 양자 실체 시험은 결국 우주로 옮겨가야 할 것이라고 이탈리아 트리에스테대(University of Trieste)의 물리학자 안젤로 바시(Angelo Bassi)는 말했다. “그러나 깊고 근본적인 관점에서 볼 때, 이것은 새롭지 않다”고 그는 말했다. 중력장은 단지 상호작용을 하는 또 다른 환경일 뿐이며, 그래서 중력장에 대한 호소는 예컨대 중력이 없는 공간에서 실험을 함으로써 만약 중력의 영향이 완화된다면, 양자 거동이 고전적인 실체로 바뀔지의 여부를 설명하지 못한다. 피코브스키와 동료들이 설명한 효과는 중력과 양자역학을 단일 설명으로 통합하는 양자중력에 관해서도 아무것도 설명하지 못한다. 많은 연구자들은 양자중력 이론을 연구하고 있다. “흥미로운 효과이지만, 그것은 여전히 고전적인 일반상대론에 적용된 양자물리학이다. 그런 점에서, 그 효과는 세상에 대한 우리의 이해를 바꾸지 못한다”고 바시는 말했다. * 그림 : 프탈로시아닌(phthalocyanines)이라는 복잡한 분자로부터 만들어진 양자 간섭 패턴
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자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.
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