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[물리] 미약한 중력파 연구
2013.07.23 23:41
미약한 중력파 연구http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013070322&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-07-19 | |
| 우주는 양자 이벤트를 시작하였지만, 천체물리 및 오늘날의 지구 현상은 본질적으로 고전역학에 의해서 지배되기 때문에 양자 불확정을 나타내지 않는다. 미국 다트마우스 칼리지 물리학과 연구진이 피지컬 리뷰 레터스 저널에 보고한 연구결과에 따르면 궁극적인 원인은 미세할지 몰라도, 빅뱅이후에 남겨진 배경 중력파는 모든 곳에 존재한다는 것을 암시하고 있다. 이런 파는 임의적으로 모든 곳의 양자 상태를 교란시켜 실질적인 슈레딩거 고양이를 결코 볼 수 없게 만들기에 충분하다. 즉, 미약한 중력파는 우주공간에 차있어서 양자 중첩을 교란시키기에 충분하고 큰 물체가 고전물리에 따라 거동하도록 만든다. 양자 역학은 중첩이라고 알려진 이상한 상태의 존재를 가능하게 한다. 예를 들면, 전자 한 개가 동시에 스핀업과 스핀다운 상태에 있을 수 있다. 단일입자 중첩은 비교적 안정적이지만, 이론물리학자들은 왜 더 큰 물체가 그와 같은 상태에 있을 수 없는지에 대해서 의문을 가지고 있었다. 이것은 어윈 슈레딩거(Erwin Schrodinger)의 유명한, 반은 살고 반은 죽은 고양이 문제로 예를 들 수 있다. 많은 이론물리학자들이 이제 다수의 양자 성분들은 서로에 대해서 적확한 관계를 유지하고 있는 거시적인 중첩은 지속적인 환경적 영향에 의해서 방해를 받는다고 믿고 있다. 그와 같은 변동은 중첩의 각 성분상에 다른 영향을 주어 비간섭적으로 만들고 죽거나 또는 살아있는, 그렇지만 두 상태가 동시적이지는 않은 고전적으로 상태로 되게 한다. 심지어 원자만큼 작은 시스템도 실험실에서 중첩상태로 남아 있기 위해서는 외부의 누설 전자기장으로부터 완벽하게 차단되어야 할 필요가 있다. 중력파는 침투적이고 피할 수 없기 때문에, 연구자들은 그것들이 거시적 시스템이 고전적인 방식으로 거동하게 만드는데 기본적인 역할을 한다고 제안하였다. 미국 뉴햄프셔 하노버에 위치한 다트마우스 칼리지 연구진은 빅뱅의 “메아리”로 알려진 시공간의 작은 물결인, 중력파의 우주 배경에 의해서 발생한 비간섭성을 계산하였다. 이런 배경은 좀 더 친숙한 우주 마이크로파 배경의 사촌이지만, 약 1 켈빈 더 낮은 온도에 있다고 생각되고 있다. 비록 이런 중력파는 물체상에 가장 큰 환경적 영향을 거의 미치지 않지만, 이들 연구진은 그것들이 자체적으로 거시 양자 중첩을 자연상태에서 결코 관측할 수 없게 만드는 것인지를 알고자 하였다. 중력파는 공간과 시간상에서 중첩을 가로질러 지나가면서 중첩을 교란시켜 중첩의 성분이 동기화를 벗어나도록 유도한다. 이와 같은 효과의 크기를 측정하기 위해서, 다트마우스 칼리지 연구진은 중첩 상태에 놓일 수 있는 물체의 간단한 모델을 연구하였다. 이들 연구진은 가상의 파로 이루어진 질량과 에너지를 가진 원자 스케일의 간단하고 작은 이론적 물체를 구축하였다. 그리고 연구진은 1전자 볼트로 분리된 여기상태와 기저상태의 중첩안에서 준비된 이런 물체를 상상하였다. 그리고 연구진은 배경 중력파가 얼마나 신속히 기저 상태와 여기상태로 중첩된 물체를 교란하는지를 추정하였다. 그에 대한 대답은 전혀 신속하지 않다는 것이었다. 그와 같은 중첩을 비간섭적으로 만들기 위해서는 약 10^45초 또는 우주 나이의 약 10^28 가 걸릴 것이라는 결과가 나온 것이다. 이 결과는 놀랍지 않다. 그 이유는 약한 중력파가 원자와 같은 작은 물체와 상호작용하는 것은 매우 미세하기 때문이다. 그러나 이들 연구진은 비간섭성 속도가 중첩에서 두 상태 사이의 에너지 차이의 제곱에 따라 증가한다는 것을 보였다. 전반적인 중첩 안에서 준비된 원자들의 아보가드로 숫자와 동일한 더 큰 물체에 대해서, 그 차이는 6 x 10^23eV가 될 것이며 비간섭적인 시간은 약 0.01초로 떨어질 것이다. 우주론의 팽창 모델에서, 중력파 배경은 이들 연구진에 의해서 가정된 단순한 형태보다 더 복잡할 것이라고 독일 콜로그네(Cologne) 대학 클라우스 키에퍼(Claus Kiefer)는 말하였다. 그는 존재하는 중력파가 다트마우스 칼리지 연구진이 기술한대로 비간섭성을 가지도록 하지만, 이 새로운 결과가 이런 비간섭성의 일상적인 작용을 보였다는 점에서 분명히 흥미롭다고 말하였다. 첨부그림: 수천 개의 루비듐 원자들이 중첩된 상태에 놓여 있으며(이 경우 한 번에 두 곳에 위치), 이것은 중첩이 붕괴되면서 첨부그림에 보이는 줄무늬 패턴을 만들어내며 두 성분은 서로 간섭한다. 우주론적 중력파는 이와 같은 거대 스케일 중첩을 붕괴시켜 우주의 어느곳에서든지 자발적으로 발생할 수 있다고 새로운 계산을 밝혀내었다.  eff4 | |
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다. | |
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