불과 일주일 전, 유럽 물리학자들은 발표 그들은 역사상 가장 작은 규모로 중력의 강도를 측정했습니다.
영리한 탁상 실험에서 네덜란드 라이덴 대학교, 영국 사우샘프턴 대학교, 이탈리아 포토닉스 및 나노기술 연구소의 연구자들은 질량이 30밀리그램도 안 되는 입자에 대해 약 XNUMX아토뉴턴의 힘을 측정했습니다. 아토뉴턴은 힘의 표준 단위인 XNUMX억분의 XNUMX뉴턴입니다.
연구원 라고 이 연구는 “우주 구조 자체에 대한 더 많은 비밀을 밝혀낼 수 있으며” 물리학의 다음 큰 혁명을 향한 중요한 단계가 될 수 있습니다.
그런데 왜 그럴까요? 그것은 단순한 결과가 아니라 방법이며, 과학 평론가들이 앞으로 나아가는 길에 대해 말하는 내용은 다음과 같은 고리에 갇힐 수 있다고 말합니다. 비용 증가 및 수익 감소.
중량
물리학자의 관점에서 중력은 극도로 약한 힘이다. 이것은 말하는 것이 이상해 보일 수도 있습니다. 아침에 침대에서 일어나려고 할 때 약한 느낌이 들지 않습니다!
하지만 원자를 서로 묶고 빛을 생성하는 전자기력, 원자의 핵을 묶는 강력한 핵력 등 우리가 알고 있는 다른 힘과 비교할 때 중력은 물체 사이에 상대적으로 약한 인력을 발휘합니다.
그리고 규모가 작을수록 중력의 영향은 점점 약해집니다.
별이나 행성 크기의 물체에 대한 중력 효과를 확인하는 것은 쉽지만 작고 가벼운 물체에 대한 중력 효과를 감지하는 것은 훨씬 어렵습니다.
중력 테스트의 필요성
어려움에도 불구하고 물리학자들은 작은 규모에서 중력을 테스트하고 싶어합니다. 이는 현대 물리학의 100년 된 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있기 때문입니다.
물리학은 매우 성공적인 두 가지 이론에 의해 지배됩니다.
첫 번째는 중력과 시공간을 대규모로 설명하는 일반 상대성 이론입니다. 두 번째는 양자역학으로, 물질의 기본 구성 요소인 입자와 장을 소규모로 설명하는 이론입니다.
이 두 이론은 어떤 면에서는 모순적이며 물리학자들은 두 이론을 모두 적용해야 하는 상황에서 무슨 일이 일어나는지 이해하지 못합니다. 현대 물리학의 목표 중 하나는 일반 상대성 이론과 양자 역학을 결합하여 “양자 중력” 이론을 만드는 것입니다.
양자 중력이 필요한 상황의 한 가지 예는 블랙홀을 완전히 이해하는 것입니다. 이것은 일반 상대성 이론에 의해 예측되며 우주에서 거대한 블랙홀을 관찰했습니다. 그러나 양자 규모에서는 작은 블랙홀이 발생할 수도 있습니다.
그러나 현재 우리는 일반상대성이론과 양자역학을 함께 활용하여 중력, 즉 블랙홀이 양자 영역에서 어떻게 작동하는지 설명할 수 없습니다.
새로운 이론과 새로운 데이터
양자 중력의 잠재적 이론에 대한 다양한 접근 방식이 개발되었습니다. 끈 이론, 루프 양자 중력및 인과 집합 이론.
그러나 이러한 접근 방식은 전적으로 이론적인 것입니다. 현재로서는 실험을 통해 테스트할 수 있는 방법이 없습니다.
이러한 이론을 경험적으로 테스트하려면 양자 효과가 지배적인 매우 작은 규모에서 중력을 측정할 수 있는 방법이 필요합니다.
최근까지 이러한 테스트를 수행하는 것은 불가능했습니다. 우리에게는 매우 큰 장비가 필요할 것 같았습니다. 세계에서 가장 큰 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)보다 훨씬 더 큰 장비입니다.
탁상 실험
최근 소규모 중력 측정이 중요한 이유가 여기에 있다.
네덜란드와 영국이 공동으로 진행한 실험은 '테이블톱' 실험이다. 대규모 기계가 필요하지 않았습니다.
이 실험은 자기장에 입자를 띄운 다음 그 너머로 추를 휘둘러 입자가 어떻게 반응하는지 확인하는 방식으로 진행됩니다.
이는 한 행성이 다른 행성을 지나칠 때 "흔들리는" 방식과 유사합니다.
자석으로 입자를 공중에 띄우면 약한 중력 영향을 감지하기 어렵게 만드는 많은 영향으로부터 입자를 분리할 수 있습니다.
이와 같은 탁상 실험의 장점은 수십억 달러의 비용이 들지 않는다는 점입니다. 이는 소규모 중력 실험을 수행하고 잠재적으로 물리학을 발전시키는 데 있어 주요 장벽 중 하나를 제거합니다. (Large Hadron Collider의 더 큰 후속 모델에 대한 최신 제안은 비용 $ 17 억.)
해야할 일
테이블탑 실험은 매우 유망하지만 아직 해야 할 일이 남아 있습니다.
최근 실험은 양자 영역에 가까워졌지만 거기까지 도달하지는 못했습니다. 이 규모에서 중력이 어떻게 작용하는지 알아내려면 관련된 질량과 힘이 훨씬 더 작아야 합니다.
우리는 테이블탑 실험을 여기까지 추진하는 것이 불가능할 수도 있다는 가능성에도 대비해야 합니다.
아직은 양자 규모에서 중력 실험을 수행하는 것을 방해하는 기술적 한계가 있을 수 있으며, 이로 인해 더 큰 충돌기를 만드는 방향으로 되돌아가게 됩니다.
이론으로 돌아가기
탁상 실험을 사용하여 테스트할 수 있는 양자 중력 이론 중 일부가 매우 급진적이라는 점도 주목할 가치가 있습니다.
루프 양자 중력과 같은 일부 이론은 다음과 같이 제안합니다. 공간과 시간이 사라질 수도 있다 아주 작은 규모나 높은 에너지에서. 그렇다면 이 정도 규모의 실험은 불가능할 수도 있다.
결국, 우리가 알고 있는 실험은 특정 시간 간격에 걸쳐 특정 장소에서 일어나는 종류의 일입니다. 이와 같은 이론이 옳다면 공간과 시간이 없는 상황에서 실험을 이해할 수 있도록 실험의 본질 자체를 다시 생각해야 할 수도 있습니다.
반면에, 작은 규모에서 중력을 포함하는 간단한 실험을 수행할 수 있다는 사실 자체가 결국 공간과 시간이 존재한다는 것을 암시할 수도 있습니다.
어느 것이 사실로 판명될까요? 이를 알아내는 가장 좋은 방법은 테이블 위에서 실험을 계속하고 가능한 한 멀리 밀어붙이는 것입니다.
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