3'50" 읽기
- 1915년 아인슈타인은 일반 상대성 이론으로 공간과 시간에 대한 새로운 개념 소개
- 시간 팽창은 1970년대에 비행기와 인공위성을 측정해 이미 입증
- 중력은 복사 주파수로 측정할 수 있는 1밀리미터 아래에 떠 있는 원자의 "똑딱거리는" 속도를 0.1조 분의 1만큼 늦춘다.

밀리미터 단위에서 아인슈타인의 시간 팽창
광학 원자시계, 중력 시간 팽창 측정에서 새로운 기록 세워

기록 측정:
연구원들은 처음으로 단 1밀리미터의 고도 차이로 중력에 의한 시간 팽창을 측정했다. 이것은 약 10만 개의 초저온 스트론튬 원자로 구성된 광학 격자 원자시계에 의해 가능했다. 특수 레이저 그리드는 떠다니는 구름의 다른 높이에서 원자를 잡고 "똑딱거리는" 것을 감지했다. 이 측정은 아인슈타인의 시간 팽창을 확인하고 양자 물리적 측정 및 시계에 대한 중요한 수정 데이터를 제공한다고 연구팀이 Nature에 보고했다. 

▲ 이 작은 방에는 연구원들이 지금까지 아인슈타인의 시간 팽창을 가장 정밀하게 측정한 원자 구름이 떠 있다. © Jacobson / NIST

1915년 알베르트 아인슈타인은 일반 상대성 이론으로 공간과 시간에 대한 우리의 개념에 혁명을 일으켰다. 그 이후로 중력은 빛과 시간을 늘릴 수 있다는 것이 분명해졌다. 이 시간 팽창은 1970년대에 비행기와 인공위성을 측정해 이미 입증됐다. 2018년에 과학자들은 알프스에서 이동식 원자시계를 사용해 이 시간 팽창의 값을 정확하게 지정했다. 2020년 일본 팀은 도쿄에 있는 450미터 높이의 타워에서 지금까지 가장 정확한 측정을 수행한 바 있다.

0.1조분의 1로 느려진 "똑딱“

이제 또 다른 돌파구가 생겼다.
미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 JILA 연구소의 토비아스 보스웰(Tobias Bothwell)과 콜로라도 대학 연구팀은 단 1밀리미터 고도 차이를 갖고 단일 원자구름 내에서 시간 팽창을 측정했다. "우리는 처음으로 원자 샘플 내에서 중력에 의한 주파수 구배(gradient)를 관찰하고 밀리미터 이하 범위까지 중력 적색편이를 해결했다"고 팀이 말했다.

측정 결과에 따르면 중력은 복사 주파수로 측정할 수 있는 1밀리미터 아래에 떠 있는 원자의 "똑딱거리는" 속도를 0.1조 분의 1만큼 늦춘다. 이 값은 연구원들이 설명하는 것처럼 상대성 이론의 예측과 일치한다. 그들에 따르면 측정 불확실성은 이전 측정보다 100배 낮다. Bothwell과 그의 팀은 거리와 정확성에 대한 새로운 기록을 세웠다.

얽힌 원자의 "조각“

이 측정은 소위 광학 격자 원자시계에 의해 가능했다.
약 10만 개의 스트론튬 원자로 이루어진 구름이 100나노켈빈으로 냉각되고 레이저 빔 격자에서 부상한다. 광학 격자의 정상파는 원자구름을 중간부분이 들어간 기둥으로 만들고 개별 평면 "슬라이스"로 세분화한다. 이것은 변동과 왜곡 효과를 감소시킨다고 팀은 설명했다.

또한 개별 층의 스트론튬 원자는 양자 물리적으로 얽혀 있다.
결과적으로 더 균일하게 반응하므로 측정의 정확도가 더욱 높아진다. 미국 연구원들은 2020년에 비슷한 원리에 기반한 원자시계를 발표했다. 빅뱅 이후 100밀리초만 오차가 발생할 정도로 정확했다.

그들의 측정에서, 보스웰과 그의 동료들은 원자의 이러한 양자 일관성을 최대 37초 동안 유지하는 데 성공했다. "원자의 이러한 연장된 일관성 시간은 측정의 정확성과 정밀도에 매우 중요하다"고 그들은 설명했다.

"똑딱" 원자 상태 변경

시간을 측정하기 위해 스트론튬 원자는 다른 레이저 빔에 의해 들뜨게 된다.
얽힌 원자가 들뜬 상태로 들어가는 주파수는 그러한 광학 원자시계의 "똑딱"에 해당한다. 시계의 더 낮은 층에 있는 원자는 지구의 중력에 더 많이 노출되어 있기 때문에 똑딱거리는 데 필요한 주파수는 더 긴 파장의 빨간색 영역으로 약간 이동해야 한다.

연구원들은 여전히 ​​주파수의 작은 편차를 감지할 수 있는 형광 분광법을 사용하여 이것이 사실인지 여부를 테스트했다. 측정 장비도 6마이크로미터의 공간 분해능을 달성했기 때문에 과학자들은 개별 원자 조각의 반응을 개별적으로 샘플링할 수 있었다. 디스크 구조, 얽힘 및 고해상도 측정의 조합만이 시간 팽창을 이렇게 정확하게 기록할 수 있게 했다.

▲ 개별 스트론튬 원자는 격자에 배열된 레이저 빔에 의해 제자리에 고정된다. © NIST

양자 물리학에서도 중요한 진전

새로운 기술은 상대성 이론의 근본적인 예측을 이전보다 훨씬 더 정확하게 확인할 수 있게 해줄 뿐만 아니라. 양자 물리학 응용 프로그램과 실험은 이제 이러한 효과를 더 잘 포착할 수 있으므로 더 정확하고 안정적이며 의미가 있다. 시간을 측정할 때 얽힌 원자로 구성된 이러한 광학 격자 시계는 50배 더 ​​정확한 측정을 가능하게 한다.

공동 저자인 JILA의 Jun Ye는 "그러나 가장 중요하고 흥미로운 결과는 이제 양자 물리학을 중력과 연결하여 복잡한 물리학을 스스로 연구할 수 있다는 것이다"고 말했다. "예를 들어, 중력 적색편이를 실험보다 10배 더 정확하게 측정할 수 있다면 원자 물질 파동이 시공간의 곡률에 어떻게 반응하는지 볼 수 있다.“

덜 좋은 레이저로도 작동

Nature 지의 같은 호에서 University of Wisconsin-Madison의 Xin Zheng이 이끄는 두 번째 연구 그룹도 시간 측정의 발전을 소개했다. 그들은 비슷한 광학 격자 원자시계를 사용하지만 덜 정확한 레이저를 사용하여 비슷한 시간 측정값을 달성했다. 그들은 각각 약 센티미터 떨어져 있는 최대 6개의 원자구름에 대한 중력 시간 팽창을 결정했다.

이 팀은 Bothwell과 그의 동료보다 10배 정도 덜 정확했다.
"그러나 놀라운 것은 레이저가 훨씬 더 나빴음에도 불구하고 우리가 유사하게 좋은 결과를 얻을 수 있었다는 것이다"고 "우리의 레이저는 이러한 조건에서 얻을 수 있는 것과 더 가깝기 때문에 이는 많은 실제 응용 분야에서 중요하다”고 수석 저자인 Shimon Kolkowitz가 말했다.
(Nature, 2022; doi:10.1038/s41586-021-04349-7; doi:10.1038/s41586-021- 04344-y)
출처: 미국 위스콘신-매디슨 대학교(University of Wisconsin-Madison)의 NIST(National Institute of Standards and Technology)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]