Jerusalem, 3 September, 2026 (TPS-IL) — 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자 역학은 각각 1세기 이상 수많은 시험을 통과했지만, 물리학자들은 두 이론을 조화시키는 데 어려움을 겪어왔습니다. 이제 이스라엘과 해외의 과학자들이 중력이 양자 물체가 떨어질 때 어떻게 변화하는지를 직접 측정함으로써 두 이론의 상호 작용 방식을 이해하기 위한 새로운 단계를 밟았습니다.

이러한 발견은 궁극적으로 중력과 가속도를 측정하기 위한 더 민감한 양자 센서에 기여할 수 있으며, GPS에 의존하지 않는 측량, 지질 조사 및 항해에 잠재적인 응용 분야를 가질 수 있습니다.

이번 발전은 단순히 과학자들이 양자 원자를 사용하여 중력을 측정했다는 점이 아닙니다. 그러한 실험은 이전에 수행되었습니다. 대신, 연구원들은 원자가 중력에 의해 자유 낙하할 때 양자 파동의 “위상”에 발생하는 특정 변화를 직접 측정했습니다. 이는 아인슈타인의 등가 원리가 예측한 효과입니다.

이 실험은 노벨상 수상 물리학자인 로저 펜로즈 경을 포함한 연구진이 참여한 가운데 네게브 벤구리온 대학교, 울름 대학교, 옥스퍼드 대학교가 주도했습니다. 이 연구는 동료 검토 저널인 Science Advances에 게재되었습니다.

네게브 벤구리온 대학교 나노스케일 과학기술 연구소의 론 폴먼 교수는 이스라엘 언론 서비스(The Press Service of Israel)에 “양자 역학은 입자가 파동이기도 하다고 말합니다. 파동은 바다 파동, 소리 파동, 빛 파동 또는 양자 파동이든 위상이라는 특징을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다.

그는 “갈릴레오 이후로 자유 낙하 물체의 가속도를 측정해 왔지만, 자유 낙하하는 양자 물체의 양자적 특징, 특히 자유 낙하로 인한 위상 변화를 측정한 사람은 아무도 없었습니다.”라고 덧붙였습니다.

하나의 떨어지는 원자, 두 개의 경로

일반 상대성 이론의 초석인 등가 원리는 중력의 효과가 자유 낙하하는 관찰자에게 국소적으로 사라질 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 엘리베이터에서 자유 낙하하는 사람은 무중력 상태를 경험할 것입니다. 이 원리는 일반 물질에 대해 비범한 정밀도로 테스트되었습니다. 그러나 양자 물체는 파동처럼 행동할 수 있으며 동시에 두 개의 경로를 따를 수 있습니다.

폴먼 교수는 “우리 실험에서 우리는 이 규칙을 사용하여 원자를 동시에 두 개의 장소와 두 개의 궤적에 놓았습니다. 한 궤적에서는 자유 낙하했고 다른 궤적에서는 지구에 대해 정지 상태였으며, 후자는 참조로 사용되었습니다.”라고 설명했습니다.

연구원들은 루비듐 원자 구름을 절대 영도 바로 위의 온도로 냉각시키고 특수 설계된 원자 칩 근처에서 조작했습니다. 자기장은 원자 파동의 한 부분을 정지 상태로 유지하는 반면 다른 부분은 자유 낙하하도록 했습니다. 그런 다음 두 부분을 다시 합쳤고, 파동이 간섭하여 연구원들이 낙하 부분과 정지 부분 사이에 축적된 미세한 양자 위상 차이를 측정할 수 있었습니다. 측정된 위상 변화는 양자 물체에 대한 아인슈타인의 등가 원리가 예측한 값과 일치했습니다.

폴먼 교수는 과학자들이 여전히 중력과 양자 역학이 어떻게 함께 작동하는지 설명하는 이론이 부족하기 때문에 이 실험이 중요하다고 말했습니다. 그는 TPS-IL에 “둘 다 작동하는 것으로 입증되었지만, 과학자들은 두 이론이 같은 우주에서 어떻게 함께 작동하는지를 설명하는 이론을 결코 공식화할 수 없었습니다.”라고 말했습니다.

이 실험은 중력 자체가 양자적이라는 것을 보여주지도 않고, 중력과 양자 역학의 통합 이론을 확립하지도 않습니다. 대신, 테스트된 조건 하에서 아인슈타인의 등가 원리가 양자 중첩과 호환된다는 것을 보여줍니다. 또한 펜로즈가 제안한, 충분히 무거운 물체가 너무 오래 양자 중첩 상태에 있으면 양자 역학이 붕괴될 수 있다는 가설을 테스트하지도 않습니다.

새로운 물리학을 향하여

그러나 연구원들은 훨씬 더 무거운 물체에 이 기술을 사용하기를 희망합니다. 폴먼 교수는 TPS에 “우리 실험은 두 이론의 인터페이스를 테스트하기 위한 향후 더 정교한 실험의 문을 열었습니다.”라고 말했습니다.

이 팀은 이미 원자 대신 나노 다이아몬드를 사용하는 실험을 개발 중입니다. 양자 중첩 상태에 놓인 충분히 무거운 물체는 연구원들이 양자 역학과 중력이 상호 작용이 더 두드러지는 규모에서 다르게 작동하는지 탐색할 수 있도록 할 수 있습니다. 폴먼 교수는 “일단 중첩 상태에 놓이면 시공간 자체의 중첩을 생성할 것이며, 여기서 우리는 완전히 새로운 물리학을 볼 수 있을 것입니다.”라고 말했습니다.

성공한다면, 이러한 실험은 양자 역학과 중력 사이의 해결되지 않은 관계를 조사하는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다. 연구원들은 또한 GPS 신호를 사용할 수 없는 측량, 지질 조사 및 항해에서의 사용을 포함하여 중력과 가속도를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 양자 센서에서 기본 기술의 장기적인 잠재력을 보고 있습니다.