역대 가장 작은 물체의 중력을 측정 (중력과 양자역학의 관계)

 

[요약]

오스트리아 국립과학아카데미 양자광학·양자정보학연구소, 빈대학 물리학부, 양자중력간섭 (TURIS) 연구 플랫폼 공동연구팀은 금으로 만든 직경 2㎜의 작은 구 2개로 역대 가장 작은 중력장을 측정하는 데 성공했습니다. 이번 연구 결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 3월 11일자에 실렸습니다.

연구팀은 질량 90㎎, 직경 2㎜의 금구와 진공상자 등을 이용해 정전기력, 공기 진동으로 인한 외부 간섭 등을 최소화한 뒤 순수한 중력 분리 실험을 했습니다. 그 결과 뉴턴의 고전물리학에서처럼 미세중력도 두 물체의 질량에 비례하고 물체 간 거리의 제곱에 반비례한다는 것이 확인됐습니다.

연구팀은 실험 감도를 높이면 암흑물질의 중력 효과와 양자 세계에서의 중력결합 등의 문제를 해결할 수 있는 돌파구가 될 것이라고 기대했습니다.

 

 

[자세하게]

가장 작은 금구슬의 중력을 측정하는 것은 2021년 과학계의 가장 놀라운 발견 중 하나로 소개되었습니다. 오스트리아 비엔나 대학과 오스트리아 과학 아카데미의 연구팀은 금으로 만든 직경 2mm의 작은 구 2개로 역대 가장 작은 중력장을 측정하는 데 성공했습니다. 이 실험은 이전에 달성하지 못했던 소규모의 중력 법칙을 테스트할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다고 합니다.

이를 위해 연구팀은 18세기 말 헨리 케번디시가 수행한 유명한 실험을 구현했습니다. 케번디시는 비틀림 진자라는 장치를 사용해 높이 30cm, 무게 160kg인 납구에 의해 생성된 중력을 측정하는 데 성공했습니다. 비엔나 팀은 케번디시 실험의 미니어처 버전을 만들었습니다. 무게가 90mg인 2mm 금 구슬이 중력 질량으로 사용되었습니다. 비틀림 진자는 길이가 4cm이고 두께가 0.5mm인 유리 막대로 구성되며 직경이 수천 분의 1mm인 유리 섬유로 매달려 있습니다. 비슷한 크기의 금 구가 막대의 각 끝에 부착되었습니다.

연구팀은 금 구슬을 앞뒤로 움직여 시간이 지남에 따라 변화하는 중력장을 만들었습니다. 이로 인해 비틀림 진자가 특정 여기 주파수에서 진동하게 되었습니다. 몇 백만 분의 1 밀리미터에 불과한 움직임은 레이저의 도움으로 읽을 수 있습니다. 어려움은 모션에 대한 다른 영향을 가능한 작게 유지하는 것이었습니다. 공동 저자 한스 헤페치는 “우리 실험에서 가장 큰 비중력 효과는 보행자와 비엔나 실험실 주변의 트램 교통에 의해 생성된 지진 진동에서 비롯된다. 따라서 우리는 교통량이 적은 밤과 크리스마스 휴일 동안 최고의 측정 데이터를 얻었다”고 말했습니다. 정전기력과 같은 다른 효과는 금 구글 사이의 전도성 차폐에 의해 중력보다 훨씬 낮은 수준으로 감소 될 수 있었습니다.

이를 통해 처음으로 무당 벌레의 질량에 가까운 물체의 중력장을 확인할 수 있었습니다. 제 1 저자인 토비아스 웨스트팔은 “아인슈타인에 따르면 중력은 다른 질량이 이동하는 시공간을 질량이 구부린다”며 “그래서 여기서 실제로 측정하는 것은 무당 벌레가 시공간을 왜곡하는 방법”이라고 말했습니다. 작은 질량의 중력장을 작은 거리에서 측정할 수 있는 가능성은 중력 물리학 연구를위한 새로운 관점을 열어준다고 합니다. 암흑 물질이나 암흑 에너지의 흔적은 현재 우주의 형성을 담당할 수 있는 중력의 행동에서 발견될 수 있다고 합니다.

 

 

(이 실험의 의미와 목적)

중력에 대한 더 깊은 이해를 돕고, 중력과 양자역학의 관계를 밝히는 것입니다. 중력은 우리 일상생활에서 가장 익숙한 힘 중 하나지만, 아직도 많은 수수께끼를 갖고 있습니다. 예를 들어, 중력이 어떻게 양자적인 성질을 가지는지, 중력이 다른 힘들과 어떻게 통합되는지, 중력이 고대 우주의 진화에 어떤 역할을 했는지 등은 아직 해결되지 않은 문제들입니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 작은 질량과 거리에서의 중력을 정밀하게 측정하고 실험할 필요가 있습니다.

하지만 작은 물체의 중력은 매우 약하기 때문에 측정하기 어렵습니다. 그래서 과학자들은 18세기에 케번디시가 수행한 비틀림 진자 실험을 현대적인 기술로 재현하려고 노력했습니다. 이 실험은 두 개의 작은 금구슬로 만든 중력장이 비틀림 진자에 영향을 주는 것을 관찰하는 것입니다. 이렇게 하면 작은 금구슬의 중력을 측정할 수 있습니다. 이 실험은 역대 가장 작은 물체의 중력을 측정하는 데 성공했으며, 앞으로 더 작고 정밀한 실험을 통해 중력과 양자역학의 상호작용을 연구할 수 있을 것으로 기대됩니다.