물리학에서는 강한 상호작용 · 약한 상호작용 · 전자기력 · 중력이라는 4가지가 기본 상호작용으로 되어 있습니다. 이 4가지 중 중력이 가장 약해서, 지구 중력의 영향 아래에서 물체 간 작용하는 만유인력을 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 그런 가운데, 오스트리아에 있는 Institute for Quantum Optics and Quantum Information(IQOQI)이 불과 90밀리그램의 물체 사이에 작용하는 매우 미세한 중력을 실험에서 발견했다고 합니다.
[2009.09546] Measurement of Gravitational Coupling between Millimeter-Sized Masses
https://arxiv.org/abs/2009.09546
Ultra-weak gravitational field detected
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00591-1
중력의 메커니즘은 알베르트 아인슈타인이 발표한 일반상대성이론에 의해 설명할 수 있게 되었습니다만, 일반적인 범위는 17세기에 아이작 뉴턴이 제창한 '두 물체 사이에는 물체의 질량에 비례하고 물체 사이의 거리 제곱에 반비례하는 만유인력이 작용하고 있다'는 이론으로 설명할 수 있습니다.
그러나 은하계 규모가 되자 뉴턴이 제기한 역학법칙이 통용되지 않는다는 사실이 조금씩 드러났습니다.
예를 들어 "물체가 당기는 힘은 물체 사이의 거리 제곱과 반비례한다'는 만유인력의 법칙에 따르면 두 물체가 크게 거리가 벌어지면 중력의 영향이 거의 없어져 버리기 때문에 은하의 바깥에 위치한 어떤 별은 회전에서 벗어나 날아가 버릴 것입니다. 그러나 은하계를 구성하는 무수한 천체는 은하의 중심으로부터의 거리와 관계없이 거의 안정적으로 회전하고 있어 모순적입니다.
이 '이론과 관측 결과의 차이'를 해결하기 위해 뉴턴역학이 재검토되어 '수정 뉴턴역학'이 제창되었습니다. 거기에 더해 만유인력의 계산에 관련된 중력상수를 수정해야 할 필요성이 나왔습니다. 그러나 중력은 전자기력의 10^36분의 1 정도로 매우 약한 힘이며, 지구와 태양의 중력의 영향을 받는 지구에서 미세한 중력을 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 현시점에서 중력상수는 다른 상수에 비해 정밀도가 낮아 과학기술데이터위원회에서 권장하는 값을 사용하고 있습니다. 따라서 중력상수의 실험적 측정을 전 세계의 물리학자가 시도하고 있습니다.
그런 가운데, IQOQI의 연구원인 토비아스 웨스트파르 씨 연구팀이 매우 미약한 중력장을 측정하는 실험을 실시했습니다.
연구팀이 만든 장치는 균일한 막대의 양쪽에 2개의 시험용 금속제 구체가 설치된 것으로, 중앙의 중심에 부착된 실리콘 케이블에 매달려 있습니다. 연구팀은 자기장을 차단하는 패러데이 실드를 사이에 두면서 한쪽 시험용 구체에 다른 구체를 가까이 접근시켜 3mm 정도의 범위에서 정기적으로 이동시켰습니다.
또한 천칭의 중앙에 거울이 붙어있고 여기에 레이저가 조사됩니다. 반사된 레이저를 감지기가 수광하여 천칭의 약간의 움직임을 감지할 수 있습니다. 연구팀이 구체를 가까이하거나 멀리하면 미약한 중력장에 변화가 생기면서 장치와 거울이 움직이게 되고, 반사된 레이저빔이 변위하는 구조입니다.
실험에 사용된 구체의 1개당 중량은 불과 92밀리그램. 중심의 간격이 2.5mm인 경우, 2개의 구체 사이에 작용하는 중력은 지구의 중력장에서는 인간의 적혈구의 약 3분의 1의 질량(1조분의 9그램)에 걸리는 힘과 거의 같은 힘입니다. 실제로 실험에 사용된 구체를 1센트 동전 위에 올려놓은 모습과 실제 실험장비는 아래와 같습니다.
연구팀이 구체를 이동시킨 결과, 레이저빔의 변위가 확인되었다고 합니다. 또한 실제로 레이저빔의 변위에서 중력상수를 산출한 결과, 과학기술데이터위원회에서 권장하는 값에서 9% 정도 어긋나 있었습니다. 연구팀에 따르면 천칭의 진동감쇠에 의한 불확실성을 고려하면 이 9%의 오차는 약간의 차이라고 볼 수 있다고 합니다.
적어도 웨스트파르 씨 연구팀의 실험은 매우 작은 질량의 물체도 중력에 의해 상호작용하고 있다는 사실을 최초로 보여준 것이라고 할 수 있습니다. 과학지 Nature는 "앞으로의 과제로는 천칭의 진동감쇠를 최대한 줄이는 것이지만, 이것은 쉬운 일이 아닙니다. 만약 실현된다면 최종적으로 양자중력이론도 입증할 수 있을지도 모릅니다"라고 평가합니다.
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