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- 위성실험 MICROSCOPE는 중력이 두 개의 다른 테스트 질량에 동일하게 작용하는지 확인
- 등가원리의 타당성은 10^-15의 정확도로 처음으로 확인
- 향후 10~20년 동안 이러한 테스트의 정확도가 더 이상 향상되지 않을 것으로 전망

아인슈타인의 등가원리(Equivalence principle) 재 확인
위성 실험은 그 어느 때보다 더 정확하게 중력에 대한 질량 응답을 측정한다.

우주에서 테스트:
약한 등가성의 기본 물리적 원리는 지금까지 가장 어려운 테스트를 통과했다. 이에 따라 다시 한번 아인슈타인의 상대성 이론을 확인했다. 위성 실험 MICROSCOPE는 중력이 두 개의 다른 테스트 질량에 동일하게 작용하는지 확인했다. 등가원리의 타당성은 10^-15의 정확도로 처음으로 확인되었다. 이것은 또한 물리학자들이 보고하는 바와 같이 상대성 이론의 확장을 위한 공간을 크게 좁힌다. 

▲ 약한 등가 원리는 아인슈타인의 상대성 이론의 초석이다. MICROSCOPE 위성 실험은 이제 전례 없는 정확도로 그 타당성을 검증했다. © ONERA

갈릴레오 갈릴레이가 관찰했고, 아이작 뉴턴이 공식화했으며, 알버트 아인슈타인은 그것을 그의 일반 상대성 이론의 초석으로 만들었다. 그들의 질량과 구성. 예를 들어, 깃털과 납 공은 진공에서 같은 속도로 떨어진다.

이 등가원리의 타당성은 실험실과 지구 궤도에서의 낙하 테스트, 달 거리의 레이저 측정을 포함한 많은 실험에서 테스트되고 확인됐다. 그러나 새로운 양자 물리적 효과나 아직 발견되지 않은 입자로 인한 편차를 배제하려면 이러한 테스트가 매우 정확해야 한다.

테스트 개체로서의 플로팅 실린더

현재까지 등가원리에 대한 가장 정확한 검토가 가능하다. 그들은 2016년부터 2018년까지 태양과 동기화된 저궤도에서 지구를 도는 마이크로위성 MICROSCOPE의 실험을 기반으로 한다. 약한 동등성 테스트를 위해 정전기력이 두 쌍의 테스트 질량을 서스펜션 상태로 유지했다. 극도로 민감한 가속도 센서는 테스트 질량의 모든 움직임을 등록했다.

한 쌍의 테스트 질량은 무거운 백금-로듐 합금으로 만든 동일한 무게와 크기의 두 개의 실린더로 구성돼 기준으로 사용되었다. 두 번째 쌍에서는 이러한 테스트 질량 중 하나를 더 가벼운 티타늄-알루미늄 실린더로 교체했다. 위성이 이제 방향을 지구로 변경하여 행성의 중력장으로 변경하면 테스트 질량에 영향을 준다. 동등하지 않은 테스트 질량의 반응이 서로 및 기준에서 벗어나면 이는 등가 원리의 위반을 나타낸다.

파리 ONERA 연구센터의 미션 리더인 피에르 투불이 이끄는 팀은 이미 2017년 위성 실험의 첫 번째 결과를 발표했으며, 이는 10^-14의 정밀도로 등가 원리를 확인했다.

▲ MICROSCOPE 위성에는 중력 응답이 측정되는 테스트 질량이 포함되어 있다. © ONERA

동등성 재확인

그동안 물리학자들은 2년 반마다 MICROSCOPE 실험 데이터를 평가하고 오류 및 불확실성 요인의 가능한 원인을 종합적으로 분석했다.
결과:
"우리는 약한 동등성 원칙의 위반을 발견하지 않았으므로 현재까지 유효성에 대해 가장 엄격한 제한을 설정했다"고 Touboul과 그의 팀은 보고했다. 그들의 테스트는 10^-15의 정밀도를 달성했다.

결과적으로, 이 등가 원리의 검증은 또한 이 수준까지 상대성 이론의 이러한 측면으로부터의 편차를 배제한다. "우리는 또한 미래 이론에 대해 새롭고 더 나은 한계를 설정했다"고 공동 저자인 Côte d'Azur Observatory의 Gilles Métris는 말했다. 등가원리에서 벗어나는 알 수 없는 입자나 힘이 여전히 존재한다면 그 효과는 현재 설정된 한계 밖에 나타날 수 있기 때문이다.

"새로운 물리학" 한계

이것은 예를 들어 암흑 물질 입자를 검색하거나 대규모로 작용하는 상호 작용과 관련이 있다. "동시에 MICROSCOPE 실험은 우주에서 동등성 원리에 대한 새롭고 훨씬 더 야심찬 테스트를 위한 길을 열어준다"며 "우리는 향후 10~20년 동안 이러한 테스트의 정확도가 더 이상 향상되지 않을 것으로 전망한다"고 설명했다.
(Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.129.121102)
출 처: American Physical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

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