과학자들이 중력 관련 파동 함수 붕괴 이론을 테스트했으며 이를 뒷받침 할 증거를 찾지 못했다.

네이처 피직스(Nature Physics)에 발표 된 논문에서 독일, 이탈리아, 헝가리 공동 연구팀은 중력이 파동 함수에 미치는 영향과 연구 결과가 보여준 내용을 테스트하기 위해 수행한 지하 실험을 설명한다. 같은 호에 실린 기사는 이번 연구작업과 결과의 의미를 요약했다.

양자 물리학은 물체의 상태가 그 속성과 관찰자가 측정하는 방식에 따라 달라진다고 제안한다. 슈뢰딩거의 고양이와 관련된 사고 실험이 아마도 가장 유명한 예다. 그러나 이 이론은 보편적으로 받아 들여지지 않는다. 물리학자들은이 개념에 대해 수년 동안 논쟁을 벌였고, 일부는 그것이 현실이 되기에는 너무 인간 중심적인 것처럼 보인다고 주장했다.

이론 뒤에는 파동 함수 붕괴 개념이 있다. 관찰에 따른 입자 붕괴의 아이디어를 이해하는 데 도움이되도록 일부 물리학자들은 파동 함수 붕괴의 힘이 입자를 보는 사람이 아니라 중력이라고 제안했다. 그들은 중력장(gravitational field)이 양자 이론 외부에 존재하며 중첩과 같은 어색한 조합에 강요 당하지 않는다고 제안한다. 중력장은 즉시 붕괴되면서 입자를 갖는다.

이 새로운 노력에서 연구자들은 물리적 의미에서이 이론을 테스트하기위한 실험을 고안했다. 실험은 게르마늄으로 만든 작은 결정 검출기를 구축하고 이를 사용하여 게르마늄 핵에있는 양성자에서 방출되는 감마 및 X 선을 감지하는 것으로 구성됐다. 그러나 실험을 시작하기 전에 감지기를 납으로 감싸고 가능한 한 많은 외부 방사선이 센서에 도달하는 것을 방지하기 위해 이탈리아 그랑사소 국립 연구소(Gran Sasso National Laboratory)의 지하 1.4km 아래 시설에 떨어 뜨렸다.

두 달 간의 테스트 후, 팀은 이론이 제안한 것보다 훨씬 적은 광자 히트를 기록했다. 이론이 제안한 것처럼 입자의 중력으로 인한 붕괴를 의미하지 않음을 나타낸다.

앞서 영국 옥스포드 대학의 수리물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 공간적 양자 중첩이 중첩의 각 분기별로 다른 방식으로 곡선을 이루는 시공간으로부터 역반응으로 붕괴한다고 제안했다. 중력 관련 파동 함수 붕괴 이야기다.

그는 또한 중첩의 붕괴 시간을 계산하기위한 휴리스틱 공식을 제공했다. 이전에 라조스 디오시(Lajos Diósi)가 제안한 것과 유사하므로 DP(Diósi–Penrose) 모델이라는 이름이 붙었다. 붕괴는 중첩 상태에있는 입자의 질량 밀도의 유효 크기에 따라 달라지며 무작위적이다. 이 무작위성은 입자 운동의 확산으로 나타나고 하전 된 경우 방사선 방출이 발생한다.

연구팀은 희미하지만 감지할 수 있는 복사 방출률을 계산했다. 그런 다음 그랑사소 지하 실험실에서이 방사능 방출률을 측정하기위한 전용 실험 결과를 보고했다. 연구 결과는 핵 질량 밀도의 유효 크기에 대한 하한을 설정하는데, 이는 이전 경계보다 약 3배 더 크다. 이것은 DP모델의 자연적 매개 변수가없는 버전을 배제한다.

*Sandro Donadi et al. Underground test of gravity-related wave function collapse, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1008-4

*M. S. Kim. A massive test, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1026-2