“진공으로부터 나오는 빛 : 카시미르 효과 초전도체 회로에서 관찰” 이는 미국의 ‘사이언스 데일리(Science Daily)’가 지난 18일(현지시각) 보도한 내용이다.

사이언스 데일리는 “같은 효과를 예측한지 40년 만에 칼머(Chalmers)의 과학자들이 진공으로부터 빛을 생성하는데 성공했다.”고 밝히면서 “(이런) 혁신적인 실험에서 과학자들은 빛이 진공 중에서 끊임없이 생성되고 소멸되는 것을 잡아낼 수 있었다”고 전했다.

이 같은 실험 결과는 세계적인 과학 잡지인 네이처(Nature)에도 게재됐다.

실험은 우리의 직관에는 가장 반(反)하면서도 양자역학에서 가장 중요한 원칙에 근거를 두고 있는 것으로, 진공이란 더 이상 텅 비어 아무것도 없는 곳이 아니며, 실제 진공이란 다양한 입자로 가득 차 있고, 이들이 끊임없이 생성되고 소멸되고 있는 곳을 말한다. 입자들이 아주 잠깐 동안 존재했다가 다시 사라지는 것이다. 따라서 입자들이 존재하는 시간이 ‘순식간’이므로 이들을 보통 ‘가상 입자’라고 부른다.

	설명 : 기사 맨 아래 별도 / 출처 : 필립 크란츠, 칼머, Philip Krantz, Chalmers  ⓒ 뉴스타운

칼머의 과학자 크리스토퍼 윌슨과 그의 동료들은 광자들이 가상의 상태를 떠나 실제 광자, 즉, 측정할 수 있는 빛이 되도록 하는데 성공했다. 물리학자인 무어가 1970년 예측했는데, 가상 광자가 거의 빛의 속도로 움직이는 "거울" 밖으로 튀어나오는 것이 허용된다면 이 같은 일이 일어날 것이라고 예측한 적이 있다. 이 현상은 동적인 ‘카시미르 효과’라고 알려져 있는데, 이제 칼머의 뛰어난 과학자들이 수행한 실험에 의하여 최초로 관찰된 것.

실험에 참여한 칼머의 실험 물리학 교수 페르 다이싱은 “충분히 빠른 속도로 움직이는 거울을 구할 수 없기 때문에, 같은 효과를 내는 다른 방법을 개발했다”고 말하고 “거울까지의 거리를 변화시키는 대신에 마이크로웨이브의 거울 역할을 하는 전자회로의 전기적 거리를 변화시켰다”고 설명했다.

"거울"은 초전도 양자 간섭 디바이스라 불리는 SQUID로 극도로 자기장에 예민한 양자 전자 컴포넌트로 구성된다. 초당 수십억 번 자기장의 방향을 변화시킴으로써 과학자들은 "거울"이 광속의 25% 정도의 속도로 진동하도록 했다.

페르 다이싱 교수는 “그 결과, 광자가 진공 중에 쌍으로 생성되었는데, 마이크로웨이브 방사선 형태로 측정할 수 있었다”고 말하고 “또한 이 방사선이 양자 이론에서 이러한 방식으로 광자가 나타날 때 말하는 것과 정확하게 같은 성질을 갖고 있음을 규명할 수 있었다."고 강조했다.

실험 과정에서 일어난 것은 "거울"이 일부 운동 에너지를 가상 광자에게 전달하고 이로써 광자가 물질화되는 것을 돕는다는 것으로, 양자 역학에 따르면, 진공 중에는 앞서 말한 바와 같이 많은 형태의 가상 입자가 있다. 이론물리학 교수 괴랜 요한슨은 광자가 나타나는 이유는 질량이 모자라기 때문이라고 설명하기도 한다.

"가상 상태로부터 ‘여기(excite)’시키는 데 상대적으로 적은 에너지가 필요했기 때문으로, 원칙적으로는 전자나 양성자와 같은 다른 입자들을 진공으로부터 생성할 수 있으나, 훨씬 많은 에너지가 필요하다."고 그는 설명했다.

한편, 많은 관련 과학자들은 실험을 통해서 쌍으로 나타나는 광자에 흥미를 느끼며 보다 상세히 연구하려고 한다. 아마도 양자 정보 분야의 연구에 이용될 수 있는데, 이 분야는 양자 컴퓨터의 개발을 포함하고 있다.

이번 실험의 주된 가치는 양자 요동(quantum fluctuation)과 같은 기본적인 물리 개념에 대한 우리의 이해를 증진시킨다는 것.

‘양자 요동’이란 진공 중에 ‘가상입자’가 끊임없이 생성 및 소멸된다는 뜻으로, 진공 중의 요동은 암흑 에너지와 관계가 있다고 믿어져 왔다. 암흑 에너지란 우주가 가속 팽창하도록 하는 에너지로 우주가 가속 팽창한다는 발견은 올해 노벨 물리학상 수상과 더불어 인식됐다.

* 올해 노벨 물리학상은 SN1a라고 알려진 초신성을 관측하던 사람들이었다. 사울 펄무터(Saul Perlmutter, 1959~), 브라이언 슈미트(Brian Schmidt, 1967~), 그리고 아담 리스(Adam Riess, 1969~) 였다.)

[사진 설명] : 칼머의 과학자들이 수행한 실험에서 가상 광자들이 거의 빛의 속도로 "거울"을 산란한다. 그림에 나오는 둥근 거울(위쪽)은 이것을 상징하는데, 거울에서 광자가 쌍으로 생성되어 튀어 나오는 것을 묘사한다. 그 아래는 실제 "거울"인 SQUID라 불리는 양자 전자 컴포넌트이다. 이것은 실제 광자를 진공 중에 튀어 나오도록 한다.(출처 : 필립 크란츠, 칼머, Philip Krantz, Chalmers)