양자역학-상대성이론 엮는 새 이론 틀, 32세 한국 물리학자가 내놨다

이석형 울산과학기술원 물리학과 교수
세계적 물리학 저널 PRL에 논문 게재
‘시간 위의 다자 양자상태’ 개념 도입
“‘상태’-‘과정’ 통일된 수학 언어로 기술”

이석형 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 교수(32). 울산과학기술원 제공

우리나라의 젊은 물리학자가 쓴 논문이 세계적인 물리학 저널 <Physical Review Letters(PRL)>에 실렸다.

울산과학기술원(UNIST)은 이석형 물리학과 교수(32)가 양자역학과 상대성이론을 잇는 새로운 이론적 틀을 정립한 논문을 PRL에 게재했다고 22일 밝혔다.

현대 물리학의 두 축인 양자역학과 상대성이론을 하나의 이론 틀로 설명하려는 시도는 100년간 물리학의 오랜 난제로 남아 있었다. 두 이론은 공간과 시간을 바라보는 관점에서 근본적인 차이를 보여 왔기 때문이다.

상대성이론은 공간과 시간을 하나의 ‘시공간’으로 다루는 반면, 양자역학은 공간에 대해서만 ‘양자상태’를 정의하고 시간은 변화가 일어나는 ‘과정(채널)’으로 취급해 왔다. 이로 인해 미시 세계를 지배하는 양자역학과 중력을 설명하는 상대성이론은 하나의 이론으로 통합되지 못했다.

이 교수는 여기에 ‘시간 위의 다자 양자상태(multipartite quantum states over time)’라는 새로운 수학적 개념을 도입했다. 시간에 따라 일어나는 양자역학적 동역학 전체를 하나의 거대한 양자상태로 묶어 표현하는 방식으로, 이를 통해 공간적으로 떨어진 계 뿐만 아니라 시간적으로 떨어진 계 역시 동일한 수학 구조에서 다룰 수 있도록 했다.

이 교수는 “공간상의 양자 ‘상태’와 시간상의 양자 ‘과정’을 서로 다른 언어가 아닌 하나의 통일된 수학 언어로 기술한 것”이라며 “양자정보과학과 양자계측은 물론, 장기적으로는 양자중력 등 양자역학과 상대성이론을 잇는 통합 이론 연구에도 활용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이 교수는 울산과학기술원 학부 시절 물리학과 수학을 복수 전공했으며, 교수로 임용된 지는 2년이 채 되지 않았다.

PRL은 물리학 분야에서 영향력이 큰 학술지로 1995년부터 2017년까지 노벨 물리학상 수상 업적의 약 28.5%가 이 저널에 실린 논문을 토대로 했다는 연구 통계 사이트(Nature Index) 분석도 있다. 단일 저널로는 네이처(4.7%)와 사이언스(5.6%)를 압도하는 수치다.

울산과학기술원 관계자는 “네이처, 사이언스 저널에 실리면 뉴스에 나지만, PRL에 실리면 물리학 교과서가 바뀐다는 말이 있을 정도로 영향력 있는 저널”이라고 말했다.

이번 연구는 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐으며, 중국 하이난대학교 수리통계학과 제임스 풀우드 교수가 교신저자로 참여했다.

김현수 기자 khs@kyunghyang.com