느리거나 빠르거나…"2개의 시간 동시 존재 입증할 수 있다"

물리학자들이 원자시계를 통해 시간 흐름이 동시에 여러 상태로 존재하는 현상을 실험으로 확인할 가능성을 제시했다. Igor Pikovski 제공

물리학자들이 원자시계를 통해 시간 흐름이 동시에 여러 상태로 존재하는 현상을 실험으로 확인할 가능성을 제시했다.

이고르 피코프스키 미국 스티븐스공대 교수팀은 콜로라도주립대, 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구팀과 함께 원자시계가 시간 흐름의 양자 중첩 상태를 측정할 수 있다는 분석 결과를 20일(현지시간) 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 공개했다.

아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 시간은 절대적이지 않고 물체의 속도와 중력에 따라 달라진다. 시간의 유연함은 여기서 그치지 않는다. 양자역학 이론에서 시간의 흐름은 동시에 빠르거나 느리게 흐르는 상태로 중첩될 수 있다. 양자 중첩은 어떤 물리적 성질이 하나로 정해지지 않고 확률적으로 동시에 존재하는 상태를 말한다. 시간 흐름의 양자화는 아직 실험으로 확인된 바 없다.

연구팀은 시계의 움직임이 양자역학을 따른다면 시계가 기록하는 시간의 흐름까지 양자 중첩 상태에 존재할 수 있다고 봤다. 하나의 시계가 2개의 시간 흐름을 동시에 경험한다는 뜻이다.

광학 원자시계가 측정 도구로 지목됐다. 시간 측정은 결국 빠르고 규칙적인 사건을 세는 방식이다. 광학 원자시계는 레이저를 쏘았을 때 원자 내 전자가 특정 에너지 상태 사이를 이동하는 에너지 전이 사건을 기준으로 삼는다. 현존 최고의 광학 원자시계는 수백억년에 단 1초의 오차가 발생할 정도로 정확하다. 

연구팀은 원자시계의 위치와 속도에 '양자 스퀴징' 기법을 적용하면 시간 흐름의 양자 중첩 현상을 감지할 수 있다는 이론을 제시했다. 양자 스퀴징은 양자역학의 기본이 되는 불확정성의 원리 안에서 측정 정밀도를 향상하는 일종의 테크닉이다.

불확정성의 원리에 따르면 미시세계에서는 어떤 물체의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알아낼 수 없다. 도출된 부등식에 따르면 두 물리량의 불확정성 곱은 일정한 최솟값이 있기 때문에 측정에 근본적인 한계가 발생한다. 양자 스퀴징은 전체 불확정성의 양은 유지하되 필요에 따라 재분배하는 개념이다. 

연구팀은 "양자 스퀴징을 필요한 만큼 구현할 기술을 보유하고 있다"며 "실험실에서 시간 흐름의 양자 중첩 현상을 입증하는 것이 다음 목표"라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1103/qhj9-pc2b

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]