양자 자유낙하 실험, 아인슈타인의 핵심 중력 원리 뒷받침

과학자들이 자유낙하하는 양자 물체에 중력이 미치는, 오랫동안 예측돼 온 효과를 관측했다. 관측된 거동은 실험으로 검증한 범위에서 아인슈타인의 등가원리와 일치했다. 사이언스 어드밴시스에 게재된 이번 연구는 원자와 기타 미시적 계를 설명하는 양자역학과 중력 및 물체의 낙하를 설명하는 일반상대성이론 사이에 실험적 연결고리를 제시한다.

연구진은 절대영도보다 조금 높은 온도로 냉각한 루비듐 원자 구름을 특수 설계된 원자 칩 근처에서 제어했다. 갈릴레오 양자 간섭계라는 장치에서 각 원자의 파동은 사실상 두 경로로 나뉘었다. 한쪽은 실험실을 기준으로 고정된 상태를 유지했고, 다른 쪽은 위로 밀어 올린 뒤 자기장의 영향을 거의 받지 않는 상태로 만들어 중력에 따라 낙하하게 했다.

두 경로를 다시 합치자 간섭이 발생했다. 이를 통해 연구진은 한 부분이 낙하하고 다른 부분이 정지해 있는 동안 축적된 양자 위상의 미세한 차이를 측정할 수 있었다. 측정된 위상 변화는 이러한 양자 파동에 등가원리를 적용해 얻은 예측과 일치했다.

등가원리는 자유낙하하는 관측자에게 중력의 효과가 국소적으로 사라져야 한다는 원리다. 더 큰 물체를 대상으로는 정밀하게 검증됐지만, 중력과 양자물리학의 관계는 여전히 미해결 상태다. 이번 실험은 두 이론을 통합하거나 중력 자체가 양자적임을 보여 주지는 않는다. 다만 엄밀히 검증한 이번 조건에서 아인슈타인 중력이론의 핵심 원리가 양자 물질과도 일관됨을 입증한다.