애리조나 대학의 물리학자인 안드레이 레베드(Andrei Lebed)는 실험적으로 아직 테스트되지 않은 흥미로운 생각을 제안하여 물리학계의 관심을 끌었다. 안드레이 레베드는 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc^2가 관측자가 우주 공간 어디에 있는지에 따라 맞을 수도 있고 틀릴 수도 있다고 주장하였다. 원자폭탄의 첫 폭발로, 전 세계는 물리학의 가장 중요한 원리 중의 하나를 목격하였다. 그것은 기본적으로 에너지와 질량이 등가적이라는 것으로서, 실제로 서로 상호 전환될 수 있다는 것이다. 이것은 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의해서 시연되었으며 상징적인 방정식 E=mc^2에 의해서 표현된다. 여기서 E는 에너지를 나타내며 m은 질량, 그리고 c는 빛의 속도를 나타낸다.

비록 물리학자들은 이 아인슈타인의 방정식이 제안된 이후 수많은 실험과 계산을 통해 검증하였지만, 애리조나 대학의 물리학과 교수인 안드레이 레베드는 이 방정식이 항상 모든 조건에서 만족하지는 않을 것이라고 제안하였다. 레베드의 핵심적인 논쟁은 질량 자체의 개념이다. 인정된 패러다임에 따르면, 관성으로 정의될 수 있는 움직이는 물체의 질량과 중력장에 의해 물체에 부여된 질량 사이의 차이는 없다. 전자는 이른바 관성 질량이라고 불리며 후자는 보통 무게로 일컬어진다.

관성질량과 중력질량의 등가 원리는 매우 높은 정밀도로 확인되었다. 그러나 레베드는 그의 계산이 중력 질량에 대해서 작지만 실제적으로 등가원리가 깨질 수 있다는 것을 보였다고 말하였다. 만약에 수소 원자와 같은 양자 물체의 질량을 측정한다면, 그 결과는 대부분의 경우 동일할 것이다. 그러나 이런 측정의 미세한 부분은 다른 결과를 주어 E=mc^2를 위반하게 된다. 이것은 물리학자들을 혼란스럽게 만들었지만, 만약에 중력 질량이 관성 질량과 다르다면 설명될 수 있는 것이다.

대부분의 물리학자들은 이것에 동의하지 않는다. 그 이유는 중력 질량이 정확하게 관성 질량과 동일하다고 믿기 때문이라고 레베드는 말하였다. 그러나 그의 요점은 중력 질량이 일반 상대성 이론의 일부 양자 효과 때문에 동일하지 않을 수 있다는 것이라고 그는 설명하였다. 지금까지 누구도 이런 제안을 한 적은 없었다. 레베드는 그의 계산 결과를 지난 여름 스웨덴 스톨홀름에서 개최된 마셀 그로스만 회의(Marcel Grossmann Meeting)에서 발표하였다. 3년마다 열리는 이 미팅에는 전 세계에서 온 약 1000여 명의 과학자들이 참여하며 일반 상대성 이론과 실험에 대해서 논의를 한다.

레베드는 그의 동료 연구진에게 그의 계산을 검증하고 실험 제안을 요청하였다. 물리학에서 가장 중요한 문제는 모든 것들을 통합하는 이론이다. 즉 자연에서 관측된 모든 힘을 기술할 수 있는 이론인 것이다. 이와 같은 이론을 위한 중요한 문제는 상대론적 양자 역학과 중력을 어떻게 통합하는가 하는 문제이다. 레베드는 양자 물체와 일반 상대성 이론을 통합하기 위해 시도하였다고 말하였다. 레베드의 이론을 이해하기 위한 핵심은 중력이다. 적어도 논문에서 그는 E=mc^2가 관성질량에 대해서는 항상 옳지만 중력질량에 대해서는 항상 그렇지 않다는 것을 보여주었다.

아인슈타인에 따르면, 중력은 공간 자체의 휨에 의한 결과라고 한다. 탁구공, 야구공, 볼링공과 같은 몇 개의 물체가 놓여있는 매트리스를 생각해보자. 탁구공은 매트리스에 거의 영향을 주지 않지만 볼링공은 매트리스를 움푹 들어가게 할 수 있다. 우주 공간에서도 더 큰 질량을 가진 물체는 우주 공간을 더 휘게 만드는 것이다. 다른 말로 표현하면, 더 많은 질량은 더 큰 중력의 힘으로 끌어당긴다는 것이다.

이런 중력의 개념적 모델에서, 우주 공간을 돌아다니는 소행성과 같은 작은 물체는 궁극적으로 중력장 안에 포획된 행성 안에 잡힐 것이다. 공간은 곡선을 가지고 있으며 우주 공간에서 질량을 움직이게 할 때, 이런 곡선은 이런 운동에 영향을 줄 것이다. 애리조나 대학의 물리학자들에 따르면, 우주의 곡선은 중력질량이 관성질량과 다르게 하는 원인이라고 한다. 레베드는 자신의 아이디어를 가장 간단한 양자 물체인 단일 수소 원자의 무게를 측정함으로써 테스트할 것을 제안하였다. 그는 그 효과가 극도로 작기 때문에, 많은 수소 원자들이 필요할 것이라고 말하였다.

매우 드문 경우, 원자 핵 주위를 공전하는 전자들은 더 높은 에너지 준위로 점프한다. 짧은 시간 안에, 전자는 이전의 에너지준위로 다시 내려온다. 아인슈타인의 공식에 의하면, 수소 원자의 질량은 에너지 준위의 변화에 따라 변할 것이다. 만약에 우리가 동일한 원자를 지구에서 벗어난 곳으로 움직여 공간이 더 이상 휘지 않고 평평한 곳으로 보낸다면 어떤 일이 발생할까? 평평한 곳에서 주요 에너지 준위에 제한되어 있을 것이기 때문에 전자는 더 높은 에너지 준위로 점프하지 않을 것으로 생각된다.

이 경우, 전자는 수소원자의 첫 번째 에너지 준위만을 차지한다고 레베드는 설명하였다. 그것은 중력의 곡선을 느끼지 않는다. 그 다음 그것을 지구 자기장에 가까운 곳에 가져가면 공간의 휨에 의해서 전자가 첫 번째 준위에서 두 번째 준위로 점핑할 확률이 있다. 그리고 이제 질량이 다르게 될 것이다. 사람들은 지구 상에서 에너지 준위 계산을 하였지만, 그것은 휨의 상태가 동일하게 남아있을 것이기 때문에 어떤 효과도 없고 요동도 없다고 레베드는 말하였다. 그러나 이전에 사람들이 고려하지 않은 것은 휨이 원자에 영향을 주기 때문에 전자가 첫 번째 준위에서 두 번째 준위로 점프할 수 있는 기회였다.

무게를 직접적으로 측정하는 대신에, 포톤 방출로 알려진 에너지 스위칭 이벤트를 관측할 수 있을 것이라고 그는 설명하였다. 레베드는 다음과 같은 실험을 그의 가정을 테스트하기 위해서 제안하였다. 수소 탱크와 민감한 광검출기를 탑재한 우주선을 우주공간으로 보낸다. 우주공간에서, 질량과 에너지의 사이의 관계는 원자에 대해서 동일하지만, 단지 평평한 공간이 전자가 에너지 준위를 변하도록 허용하지 않기 때문이다. 우리가 지구에 근접할 때, 우주의 휨은 원자에 영향을 주고 전자가 점프할 확률이 있으며, 따라서 검출기에 의해 등록된 포톤이 방출된다고 그는 설명하였다.

에너지 준위에 따라, 질량과 에너지의 관계는 중력장의 영향 아래 더이상 고정되지 않는다. 레베드는 우주선이 그리 멀리 갈 필요가 없을 것이라고 말하였다. 우리는 지구 반경의 2배 또는 3배의 거리만큼만 보내면 될 것이라고 그는 덧붙였다. 레베드에 따르면, 그의 연구는 태양계에서 아인슈타인의 중력 이론과 양자 역학 결합을 테스트하는 첫 번째 제안일 것이라고 말하였다. 이런 두 이론의 결합을 직접적으로 테스트할 수 있는 이론은 없다고 그는 말하였다. 이것은 중력 질량이 관성 질량과 동일하지 않다는 관점에서 뿐만 아니라 두 이론의 결합이 어렵다는 관점에서 중요하다. 그는 이런 결합을 테스트하고 싶으며, 그것이 작동하는지 안하는지를 알고 싶다고 그는 덧붙였다.

첨부그림 1: 일반 상대성 이론에 따르면, 물체는 그 주위의 공간을 휘게 한다. 이제 아리조나 대학의 물리학자인 안드레이 레베드(Andrei Lebed)는 수소 원자를 운반하는 공간 탐침을 이용하여 평평한 공간에서 E=mc^2가 옳지만 휜 공간에서는 그렇지 않다는 것을 테스트할 수 있는 실험을 제안하였다.

첨부그림 2: 자연에서 발견된 가장 간단한 원자인 수소는 단지 한개의 전자에 의해서 공전되는 한개의 핵으로 이루어졌다. 레베드의 계산은 전자가 공간이 휘어졌을 때에만 더 높은 에너지 준위로 점프가 가능하다는 것을 보여주고 있다. 그런 에너지 스위칭 이벤트 동안에 방출된 포톤들은 이런 제안을 테스트하기 위해서 검출될 수 있다.