앨리스반지/양자물체

현실을 왜곡하는 양자 물체 ‘앨리스 반지’ 생성에 성공

• 기자명 이재탁 기자 
•  입력 2023.09.03 23:48
•  수정 2023.09.03 23:49

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연구자들이 자연에서 처음으로 관찰한 ‘앨리스 반지’의 이미지. Image Credit : Heikka Valja, Aalto University

‘이상한 나라의 앨리스’는 주인공 앨리스가 빠져든 기묘한 세계를 그린다. 이 ‘이상한 나라’에서는 상식적인 물리 법칙이 붕괴돼 물체의 크기와 무게가 변하고, 시간의 흐름도 쉽게 뒤바뀐다.

사실 상식적인 물리학의 붕괴는 ‘이상한 나라’에만 나오는 이야기는 아니다.

양자 역학의 세계에서는 하나의 물체가 두 곳에 동시에 존재하고, 아무것도 없는 곳에서 입자가 나타났다가 사라지는 것으로 알려져 있다. 그리고 누군가가 관찰하지 않는 한, 세계를 날아다니는 입자의 상태를 확정할 수도 없다.

기술과학매체 기가진에 따르면, 미국 애머스트 칼리지(AC)와 알토대학교 공동 연구팀은 세계 최초로 인공적으로 만든 ‘앨리스 반지’를 발표했는데, 많은 양자 세계의 신비로움 중에서도 특별한 것으로 평가된다. 자세한 연구 내용은 2023년 8월 29일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재돼 있다.

‘앨리스 반지(Alice rings)’는 물체가 통과할 때 또는 이를 통해 다른 물체를 볼 때 그 성질을 변화시키는 매우 특이한 성질을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.

연구팀은 ‘앨리스의 반지'를 연구하면 우주의 가장 깊은 구성요소인 ’물질과 정보‘에 대한 해답을 찾을 수 있다고 말한다.

‘앨리스 반지’란 무엇일까? 그 답을 알기 위해서는 먼저 ‘한 극만 가진 자석’에 대해 알아볼 필요가 있다.

누구나 알다시피 자석은 N극과 S극 두 개의 극이 존재한다. 일반 자석을 아무리 잘게 쪼개도 N극과 S극을 단독으로 추출할 수 없다. 자석의 내부는 무수히 많은 미니 자석이 일정한 방향을 향해 줄지어 있고, 지금 있는 끝은 특별한 것이 아니라 우연히 끝이 된 것일 뿐이기 때문이다.

하지만 양자의 세계에는 N극이나 S극처럼 하나의 극만을 가진 단극 자석(모노 폴)이라는 물체가 존재한다는 것이 밝혀졌다.

미국 애머스트 칼리지에서는 오래전부터 단극자석에 대한 연구를 진행해 왔으며, 2015년 ‘사이언스(Science)’에 게재된 연구에서는 절대 영도까지 냉각한 루비듐 원자 가스를 자력으로 조작하여 자력의 흐름에 특이점을 만들어 양자 수준(극소 크기)의 단극자석을 만드는 데 성공했다.

Image Credit : Nature Communications

특이점이란 기존 물리 이론이 붕괴되는 지점을 말한다. 이러한 ‘특이점’으로 대표적인 것은 블랙홀 내부인데, 이번 특이점은 위 그림처럼 자력선의 흐름에 일종의 수렴이 일어나는 검은 점 부분을 말한다.

다른 부분에서는 자력의 방향을 선(벡터)으로 표현할 수 있지만, 검은 점 부분에서는 자력이 어느 방향으로도 향하지 않고 특이점으로 존재한다. 그리고 특이점이 발생한 곳에서는 자기장이 수학적으로 설명할 수 없는 거동에 빠지면서 특정 조건에서 신비한 단극자석으로서의 성질을 얻게 된다.

이번 연구는 이 단극자석이 이후 어떤 운명을 맞이하게 되는지 알아보는 것에서 시작됐다. 단 단극자석은 매우 불안정한 존재로, 단 몇 밀리초(ms)만에 붕괴되기 때문에 조사에는 고정밀 카메라가 필요했다.

Image Credit : Nature Communications

그 결과, 단극자석이 붕괴하면서 위 그림과 같이 고리 모양의 구조가 나타나는 것을 확인했다. 그리고 이 고리 모양의 존재의 성질을 조사한 결과, ‘앨리스 반지’로 알려진 존재로 밝혀졌다.

앨리스 반지는 여러 대통일 이론에 등장하는 존재로, 이론이 맞다면 이상한 나라의 입구라고 밖에 말할 수 없는 기묘한 성질을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

그 대표적인 성질이 링 내부를 통과한 단극자석이나 링을 통해 본 단극자석의 극성이 반전되는 설명할 수 없는 현상이다.

이에 연구진은 관측된 ‘앨리스 반지’를 시뮬레이션 공간에서 재현하고, 내부에 단극자석을 통과시켜 보았다.

그러자 예상대로 ‘앨리스 반지’를 통과한 단극자석이 다른 극으로 변화를 일으켰고, 동시에 앨리스 반지 자체의 극도 반대 방향으로 바뀌었다.

연구팀 관계자는 “멀리서 보면 ‘앨리스 반지’는 단순히 (무너져가는) 단극 자석으로 보이지만, 고리의 중심을 들여다보면 세계가 다른 형태로 변하고 있다”고 말했다.

이 결과는 그동안 이론적 존재로 여겨졌던 물체의 성질을 뒤집는 ‘앨리스 반지’가 현실에 존재한다는 것을 보여준다.

연구팀은 ‘앨리스 반지’의 존재는 현실의 구조 자체에 의문을 제기하는 것으로, 이해가 진전되면 우주를 구성하는 ‘물질과 정보’를 탐구하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대했다.

(참고 : aalto.fi/en, nature.com)

 이재탁 기자 jtlee7267@naver.com