과학자들 양자 실험에서 ‘음의 시간’ 관찰

과학자들은 빛이 때때로 물질에 들어가기 전에 물질에서 빠져나가는 것처럼 보일 수 있다는 사실을 오랫동안 알고 있었다. 이는 물질에 의해 파동이 왜곡되는 방식으로 인해 발생하는 환상으로 일축됐다.

이제 토론토 대학교의 연구자들은 혁신적인 양자 실험을 통해 “음의 시간(negative time)”이 단순한 이론적인 아이디어가 아니라 구체적이고 물리적인 의미에서 존재하며 면밀히 살펴볼 가치가 있음을 증명했다고 밝혔다.

출판전 논문 서버 arXiv에 올라온 연구 결과는 과학계의 관심과 회의론을 모두 불러일으켰다.

연구자들은 이러한 당혹스러운 결과가 시간에 대한 우리의 이해에 급진적인 변화가 아니라 양자 역학의 독특한 특성을 강조한다고 설명했다.

캐나다 토론토 대학교 실험 양자 물리학 교수인 에프라임 스타인버그(Aephraim Steinberg)는 “이건 다른 물리학자들과 이야기하기조차 힘든 문제다. 우리는 항상 오해를 받는다”고 말했다.

“음의 시간”이라는 용어는 공상 과학 소설에서 가져온 개념처럼 들릴 수 있지만, 스타인버그는 이 용어의 사용을 옹호하며 양자 물리학의 신비에 대한 더 깊은 논의를 불러일으킬 수 있기를 바란다.

수년 전, 이 팀은 빛과 물질 간의 상호 작용을 탐구하기 시작했다.

빛 입자 또는 광자가 원자를 통과할 때 일부는 원자에 흡수되어 나중에 다시 방출된다. 이 상호 작용은 원자를 변화시켜 정상으로 돌아가기 전에 일시적으로 더 높은 에너지 또는 “여기” 상태에 놓이게 한다.

다니엘라 앙굴로(Daniela Angulo)가 이끄는 연구에서, 이 팀은 이 원자들이 흥분된 상태에 얼마나 오래 머물렀는지 측정하기로 했다. 스타인버그는 “그 시간은 음수였다”고 설명했다. 즉, 0보다 짧은 지속 시간을 의미한다.

이 개념을 시각화하기 위해 터널에 들어가는 자동차를 상상해 보자. 실험 전에 물리학자들은 예를 들어 천 대의 자동차가 평균적으로 들어가는 시간이 정오일 수 있지만 첫 번째 자동차는 조금 더 일찍, 예를 들어 오전 11시 59분에 나올 수 있다는 것을 알아냈다. 이 결과는 이전에 무의미하다고 일축됐다.

Angulo와 동료들이 보여준 것은 처음 몇 대의 자동차가 나온 후 터널에서 일산화탄소 수치를 측정하고 그 앞에 마이너스 기호가 있는 것을 발견한 것과 유사했다.

전선과 알루미늄으로 감싼 장치로 가득 찬 지하실 실험실에서 수행된 실험은 최적화하는 데 2년 이상 걸렸다. 사용된 레이저는 결과를 왜곡하지 않도록 신중하게 교정해야 했다.

Steinberg와 Angulo는 재빨리 명확히 밝혔다. 시간 여행이 가능하다고 주장하는 사람은 없다. Steinberg는 “우리는 시간을 거슬러 여행한 것이 있다고 말하고 싶지 않다. 그것은 오해”라고 말했다.

설명은 양자 역학에 있다. 양자 역학에서 광자와 같은 입자는 엄격한 규칙을 따르기보다는 모호하고 확률적인 방식으로 행동합한다.

흡수와 재방출에 대한 고정된 타임라인을 고수하는 대신, 이러한 상호작용은 가능한 지속 시간의 스펙트럼에서 발생하며, 그 중 일부는 일상적인 직관에 어긋난다.

연구자들은 이것이 빛보다 빠르게 이동할 수 있는 것은 없다고 규정하는 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 위반하지 않는다고 비판적으로 말한다. 이러한 광자는 정보를 전달하지 않아 우주의 속도 제한을 우회한다.

분열적 발견

“음의 시간”이라는 개념은 특히 과학계의 저명한 목소리로부터 매혹과 회의론을 모두 불러일으켰다.

예를 들어 독일 이론 물리학자 사비네 호센펠더는 25만 명이 시청한 유튜브 동영상에서 이 연구를 비판하면서 “이 실험의 음의 시간은 시간의 흐름과 아무런 관련이 없다. 광자가 매질을 통과하는 방식과 위상이 변하는 방식을 설명하는 방법일 뿐”이라고 말했다.

Angulo와 Steinberg는 반발하며, 그들의 연구가 빛이 항상 일정한 속도로 이동하지 않는 이유를 이해하는 데 있어 중요한 격차를 해결한다고 주장했다.

Steinberg는 논문의 자극적 제목을 둘러싼 논란을 인정했지만 과학자가 실험 결과에 이의를 제기하지 않았다고 지적했다.

그는 “우리는 결과를 설명하는 데 유익한 방법을 선택했다.”라고 말하며 실용적인 응용 프로그램은 여전히 ​​애매하지만 이 발견은 양자 현상을 탐구하는 새로운 길을 열어준다고 덧붙였다.

“솔직히 말해서, 우리가 살펴본 것에서 응용 프로그램으로 가는 길이 현재 없다”고 그는 인정했다.