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- 중력은 현재까지 가장 부정확하게 결정된 기본 힘
- 중력 상수는 다른 단위나 자연 상수에서 파생될 수 없으며 실험적으로 결정해야
- ETH Zurich의 Jürg Dual,진동의 전달을 통해 중력 효과 결정
- 실험은 스위스 알프스의 알파인 요새에서 수행, 인공 진동에서 멀리 떨어진 지하 실험실

중력 상수 재측정, 새로운 방법으로 중력값 확인

중력은 현재까지 가장 부정확하게 결정된 기본 힘이다. 이제 물리학자들은 새로운 방법을 사용해 처음으로 중력 상수를 측정했다. 이를 위해 그들은 두 번째 막대와의 중력 결합에 의해 발생하는 지하 알파인 요새 깊숙한 탐지 막대의 진동을 관찰했다. 이 방법은 아직 상수를 지정할 만큼 정확하지 않지만 팀이 "Nature Physics"에 보고한 것처럼 가능성이 있다. 

▲ 측정 막대는 서로 격리된 이 두 개의 진공 챔버에 보관됐다. © Jürg Dual / IMES / ETH 취리히

네 가지 기본 힘 중에서 중력이 가장 신비하다. 질량 사이에 작용하는 이러한 인력은 지금까지 매개체 입자가 발견되지 않은 유일한 인력이기 때문이다. 알버트 아인슈타인(Albert Einstein) 이후, 중력들의 효과는 시공간의 곡률로 기술될 수 있고, 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 이미 그의 중력 법칙에서 이 자연 상수를 기술했다. 그러나 오늘날까지 과학은 중력 상수를 정확하게 결정하는 데 어려움을 겪었다.

측정하기 어려움

문제:
중력 상수는 다른 단위나 자연 상수에서 파생될 수 없으며 실험적으로 결정해야 한다. 그러나 근거리에서는 중력이 매우 약하고 간섭 효과를 막을 수 없기 때문에 어렵다. 두 물체 사이의 중력을 측정하기 때문에 지구와 근처에 있는 다른 모든 물체의 중력도 측정한다. 이러한 간섭 효과를 계산하는 것은 어렵고 정밀도가 떨어진다.

"이 상황을 해결하는 유일한 방법은 가능한 한 많은 다른 방법을 사용하여 중력 상수를 결정하는 것이다"라고 ETH Zurich의 Jürg Dual이 설명했다. 이전의 측정은 종종 1797년 영국 연구원 헨리 케번디쉬(Henry Cavendish)의 유명한 실험의 현대적 변형을 기반으로 했다. 자유롭게 매달린 구체는 질량을 측정하는 역할을 했다.

중력에 의해 전달되는 진동

Dual, 그의 동료 Tobias Brack과 그들의 팀은 이제 다른 방법을 사용했다. 거리를 통해 자유롭게 매달린 질량 사이의 인력을 측정하는 대신 진동의 전달을 통해 중력 효과를 결정한다. 연구원들은 중력파 측정에도 적용되는 동일한 원리를 사용한다. 질량이 가속되면 중력파의 형태로 에너지를 방출하며, 이는 차례로 다른 질량에 영향을 미치고 진동을 유발할 수 있다.

실험을 위해 물리학자들은 서로 격리되고 진동이 감쇠된 두 개의 진공 챔버를 사용했다. 첫 번째 챔버에는 약 3.8kg 무게의 1미터 길이 텅스텐 막대가 중간에 있는 진동 발생기에 부착되어 있다. 이로 인해 직사각형 송신기 막대가 42.6Hz의 주파수에서 진동한다. 인접한 챔버에서 - 완전히 격리되어 - 티타늄으로 만들어진 두 번째 1m 막대가 매달려 있으며 탐지기 역할을 한다.

알파인 요새에서의 측정

트릭:
첫 번째 막대의 진동은 작지만 리드미컬하게 변화하는 중력을 생성해 이웃 질량으로 전달할 수 있다. 진동의 주파수는 검출기 로드의 고유 진동에 대응하도록 선택되었기 때문에 그 안에서 공진 효과가 발생한다. 이것은 감지기 막대의 중력 유도 진동을 증폭하고 측정 가능하게 만든다. 막대를 따라 여러 지점에 초점을 맞춘 레이저 빔은 아주 작은 움직임도 나타낸다.

"이러한 동적 측정을 사용하면 정적 측정과 달리 다른 물체에 작용하는 중력을 차폐할 수 없다는 것은 문제가 되지 않는다"라고 Dual은 설명했다. 가능한 한 많은 진동을 외부 간섭으로부터 멀리 유지하는 것이 더 중요하다. 실험은 스위스 알프스의 Furggels Fortress에서 수행되었다. 즉, 안정된 암석 덩어리에 위치하고 인공 진동에서 멀리 떨어진 지하 실험실이다.

방해를 피하기 위해 실험도 취리히에서 원격 제어됐다. 50분 측정은 4주 동안 18번 반복됐다. 연구원들은 거리가 증가함에 따라 중력의 약화를 측정할 수 있도록 두 측정 막대 사이의 거리를 변경했다.

중력 상수 재측정

실험에서 팀은 크기가 수십억 분의 1밀리미터에 불과한 감지기 막대의 리드미컬한 편향을 측정하는 데 성공했다. 그들의 주파수와 진폭은 뉴턴의 중력 법칙에 대한 이론적 예측과 상당히 정확하게 일치했다. Brack과 그의 동료들은 "이 좋은 일치는 검출기 움직임이 실제로 기계적 또는 음향 전달과 같은 다른 효과가 아니라 중력 결합으로 발생했음을 시사한다.

이 진동으로부터 물리학자들은 중력 상수를 결정할 수 있었다.
그들은 G=6.82 x 10^(-11) ㎥/kg*s^(-2) 평방 초의 값에 도달합니다. 측정의 표준 편차는 0.56%였다. "신뢰할 수 있는 값을 얻으려면 이 불확실성을 크게 줄여야 한다"라고 Dual은 강조했다. 이것은 또한 측정 결과가 과학 기술 데이터 위원회(CODATA)의 공식 값인 6.674 x 10^(-11)보다 약 2.2% 높은 이유를 설명할 수도 있다.

"우리는 이미 상수 G를 훨씬 더 정확하게 결정할 수 있도록 약간 수정된 테스트 설정으로 측정을 수행하는 과정에 있다"라고 Dual은 말했다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01642-8)
출처: 취리히 스위스 연방 공과 대학(ETH Zurich)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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