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- 지금까지 모든 모델은 한 가지 중요한 점에서 실패.
- 시공간이 양자화되어 있는지에 대한 실험적 증거가 부족하다
- 실험은 여러 스케일에 걸쳐 양자 상태를 정밀하게 제어해야 하기 때문에 매우 어렵다
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중력의 미스터리 심화
양자 중력을 증명하는 실험은 오해의 소지가 있다.

근본적인 간극:
아인슈타인조차 중력과 양자 물리학을 통합하는 데 실패했다. 이제 물리학자들은 중력의 양자화에 대한 가장 유망한 시험조차도 결정적인 증거가 될 수 없다는 것을 발견했다. 그 이유는 순수하게 고전적이고 양자화되지 않은 시공간에서도 연구자들이 "네이처"에서 입증했듯이 일종의 질량 얽힘이 존재할 수 있기 때문이다. 하지만 바로 이 얽힘이 이전에는 중력의 양자적 본질에 대한 실험적 증거로 여겨졌다. 그리고 지금은 어떨까? 

▲ 실험에서 진정한 양자 얽힘은 빨간색 선 왼쪽에 있는 질량 및 결맞음 시간에서 분명하게 나타나야 한다. 그러나 순수한 고전적 얽힘 효과는 빨간색 선 오른쪽에서도 발생할 수 있다. © Aziz and Howl/Nature, CC-by 4.0

중력은 네 가지 기본 힘 중 약자이며 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나다. 알베르트 아인슈타인은 그의 시공간 모델로 중력에 대한 우리의 관점에 혁명을 일으켰다. 하지만 그 역시 중요한 지점에서 실패했다. 다른 모든 기본 힘은 강한 핵력의 글루온, 약한 핵력의 W 및 Z 보손, 전자기력의 광자와 같은 운반 입자에 의해 매개되는 반면, 중력에는 그러한 매개 입자가 존재하지 않는다는 것이다. 지금까지 "중력자"의 존재 여부조차 명확하지 않다.

중력은 양자화되어 있을까?

이는 다음과 같은 결과를 초래한다. 다른 모든 근본적인 힘은 불연속 입자의 교환으로 양자화된다. 따라서 양자역학으로도 설명할 수 있다. 중력은 그렇지 않다. 아인슈타인의 상대성 이론은 고전 물리학의 도구를 사용하여 중력을 설명할 수 있게 한다. 그러나 이는 양자 물리학과 양립할 수 없다. 루프 양자 중력, 끈 이론, 초유체 시공간 개념을 포함하여 이러한 순환 고리를 직각으로 만들려는 이론적 접근 방식이 있다.

하지만 지금까지 모든 모델은 한 가지 중요한 점에서 실패했다. 시공간이 양자화되어 있는지에 대한 실험적 증거가 부족하다는 것이다. 이전의 실험들은 모호한 상태로 남아 있다. 런던 대학교의 조셉 아지즈(Josef Aziz)와 리처드 하울(Richard Howl)은 "중력과 양자역학의 통합은 물리학에서 가장 근본적인 미해결 문제 중 하나로 남아 있다"고 설명했다.

▲ 구불구불한 파란색 선은 광자 또는 중력자를 나타낸다. 검은색 선은 전자, 양전자, 또는 일반적인 물질이나 반물질 입자를 나타낸다. 시각화의 편의를 위해 화살표가 없는 이중선은 가상 입자를 나타낸다. (출처: Published: 22 October 2025 / Classical theories of gravity produce entanglement / nature)

파인만의 실험과 "유령 같은 원격 작용"

하지만 마침내 답을 제공할 수 있는 실험이 있다. 이 이론은 1957년 미국 물리학자 리처드 파인만이 제안했다. 이 실험에서는 무겁고 밀도가 높은 물체를 양자 물리 중첩 상태에 놓은 후 다른 물체와 상호작용하도록 한다. 만약 중력이 양자화되어 있다면, 두 물체 모두 얽혀 있어야 한다. 물리학자들은 "이것은 이전에 중력이 양자역학 법칙을 따른다는 명백한 증거로 여겨져 왔다"고 설명한다.

이유는 다음과 같다. 현재 이론에 따르면, 고전 물리학에서는 "유령 같은 원격 작용"이 존재할 수 없다. 얽힘은 얽힌 물체들 사이에 비국소적인 정보 교환, 예를 들어 양자화된 운반 입자를 통한 정보 교환을 필요로 한다. 만약 이 실험이 얽힘을 증명한다면, 중력자와 중력의 양자화가 존재해야 한다는 가정이 성립한다.
양자화 없이도 비국소적인 교환이 가능할까?

그러나 아지즈와 하울은 이제 바로 이 가정을 반박한다. "우리는 국소적이고 고전적인 중력 이론조차도 양자 통신과 얽힘을 생성할 수 있음을 보여준다"고 그들은 썼다. 그들의 주장의 근거는 양자장론(QFT)이다. 이 이론에 따르면, 물리적인 장과 각 지점에 할당된 값은 모든 입자를 생성하는 기본 단위다. 이러한 예 중 하나는 힉스 보손인데, 이는 힉스장의 발현으로 설명될 수 있다.

두 물리학자가 설명하듯이, 양자장론은 물질에도 적용된다. 이러한 물질장에서는 가상 입자, 즉 상호작용의 직접 관찰 불가능한 중간 상태도 발생할 수 있다. 아지즈와 하울은 "장론 수준에서는 질량 간의 가상 물질 입자 교환도 존재한다"고 설명한다. 이는 중력자가 없어도 비국소적 정보 교환, 즉 얽힘 현상이 발생할 수 있음을 시사한다.

▲ 구불구불한 파란색 선은 고전적인 전자기장 또는 중력장 또는 퍼텐셜을 나타낸다. 십자 표시는 이러한 장 또는 퍼텐셜의 고전적 원천을 나타낸다. 그림 1과 같이 검은색 선은 전자, 양전자, 또는 일반적인 물질 또는 반물질 입자를 나타낸다. 시각화의 편의를 위해 화살표가 없는 이중선은 가상 입자를 나타낸다. (출처: Published: 22 October 2025 / Classical theories of gravity produce entanglement / nature)

미묘한 차이로만 감지 가능

"파인만의 실험에서 얽힘 현상이 관찰되었다고 해서 양자화된 중력의 증거로 간주될 수 없다"고 물리학자들은 기술했다. 고전 중력은 양자화된 중력자가 없더라도 질량 사이에 일종의 얽힘을 생성할 수 있기 때문이다. 따라서 관찰된 얽힘이 양자 중력을 나타내는지는 매개변수와 실험 유형에 따라 달라진다.

하지만 이것이 실험적 검증에 구체적으로 무엇을 의미할까? 두 연구원은 연구에서 이를 계산했다. 결과에 따르면, 질량, 거리, 그리고 상호작용에 대한 얽힘의 의존성에 차이가 있다. 이러한 매개변수의 영향은 고전적이고 비양자화된 중력과 양자 중력에서 다소 다르다.

실험이 더욱 어려워지다.

"이는 얽힘을 통해 중력의 양자적 본질을 검증하는 것을 목표로 하는 향후 실험에 직접적인 영향을 미친다"고 이 연구에 참여하지 않은 InstaDeep London의 물리학자 재커리 웰러-데이비스(Zachary Weller-Davies)는 말했다. 연구원들은 이제 새로운 연구 결과를 활용하여 실험 매개변수를 조정하여 고전적 효과로 인한 오해의 소지가 있는 얽힘을 최소화할 수 있다.

웰러-데이비스는 "아지즈와 하울의 분석은 향후 실험에서 얽힘의 강도와 스케일링 거동을 모두 측정하고 이를 고전 물리학 및 양자 이론의 예측과 비교해야 함을 분명히 보여준다"고 설명했다. "그러나 이러한 실험은 여러 스케일에 걸쳐 양자 상태를 정밀하게 제어해야 하기 때문에 매우 어렵다."

참고: Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-09595-7
출처: Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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