2만 4천 개의 원자로 만든 미니 우주, '시간은 시계가 필요 없다'는 사실을 밝혀내다

이번 주 양자 중력 학술지인 Physical Review Research에 발표된 이 실험은 수십 년 동안 물리학의 기초를 괴롭혀온 난제를 다루고 있습니다. 양자 중력 이론에서 시간은 현실의 내재적 특징으로 나타나지 않습니다. 그럼에도 우리는 과거에서 미래로 흐르는 명확한 시간의 화살을 경험합니다. 지오바니 바론티니(Giovanni Barontini) 교수가 이끄는 버밍엄 대학교 연구팀은 시간이 순전히 변화, 구체적으로는 입자가 시스템을 통해 퍼져나가는 방식(엔트로피적 시간으로 알려진 개념)으로부터 발생할 수 있는지 확인하기 위해 이번 실험을 설계했습니다. 2만 4,000개 원자의 천 번에 걸친 순환 댄스 속에 새겨진 그들의 답은 신중한 ‘그렇다’였습니다.

버밍엄 연구실에서 탄생한 2만 4,000개 원자의 미니 우주

바론티니 연구팀은 루비듐 원자들을 광학 트랩에 가두고 양자 역학적 거동이 지배할 때까지 냉각했습니다. 두 개의 레이저 빔으로 구름 속에 얇은 벽을 만들어 연구자들이 직접 관찰할 수 있는 ‘밝은’ 영역과 시야에서 가려진 ‘어두운’ 영역을 만들었습니다. 밝은 영역은 주기적으로 팽창과 수축을 반복하며, 팽창을 멈추고 반전되는 우주의 순환적 우주론을 모방했습니다. 전체 시스템이 외부 환경으로부터 격리되어 있었기 때문에, 사건의 타임라인을 재구성할 수 있는 유일한 방법은 내부 원자 분포를 통해 이를 추론하는 것뿐이었습니다.

연구진이 2만 4,000개의 원자를 선택한 데는 의도가 있었습니다. 원자 수가 적으면 엔트로피 변화에 따른 통계적 신호에 노이즈가 너무 많아지고, 많아지면 계산 부담을 감당할 수 없기 때문입니다. 이 규모에서 원자 구름은 열역학적 비가역성을 나타낼 만큼 충분히 크면서도, 고전 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있을 만큼 충분히 작은 단순화된 우주처럼 행동했습니다. 각 주기는 약 0.1초 동안 지속되었으며, 연구팀은 수백 번의 주기를 추적하여 그들이 정의한 엔트로피적 시간이 단순히 흔들리는 것이 아니라, 밝은 영역이 수축할 때조차 신뢰할 수 있고 일관된 방향으로 진행된다는 점을 입증했습니다.

엔트로피적 시간: 2만 4,000개 원자의 미니 우주가 스스로 시계를 만드는 방법

엔트로피적 시간 뒤에 숨겨진 아이디어는 놀라울 정도로 단순합니다. 아무것도 변하지 않으면 시간도 흐르지 않는다는 것입니다. 연구진은 시간의 흐름을 시스템의 섀넌 엔트로피(Shannon entropy), 즉 원자가 얼마나 퍼져 있는지를 측정하는 척도와 연결했습니다. 밝은 영역과 어두운 영역 사이에서 입자가 교환될 때 엔트로피가 변화했고, 그들의 공식에 따르면 시간이 흐른 것입니다. 원자 분포가 정상 상태에 도달하면 시간은 멈췄습니다. 비록 근본적인 양자 파동 함수가 기존 시간의 관점에서는 역동적으로 보일 방식으로 계속 진화하더라도 말입니다.

바론티니 연구팀은 이 엔트로피적 시간이 실제 우주라면 '빅 크런치(Big Crunch)'를 나타낼 수축 단계에서도 항상 미래를 향한다는 점을 관찰했습니다. 근본적인 물리학 법칙이 시간 대칭적임에도 불구하고 시간은 결코 거꾸로 흐르지 않았습니다. 바론티니는 “특히 양자 중력과 같은 일부 우주 이론에서 시간은 내재된 특징으로 나타나지 않습니다”라고 말했습니다. “하지만 일상생활에서 시간은 과거에서 미래로 흐릅니다. 대부분의 기본적인 물리 법칙은 앞뒤로 똑같이 작동하는데, 왜 이런 일이 일어나는 것일까요?” 이번 실험은 하나의 답을 제시합니다. 시간의 화살은 근본적인 시계가 아니라 엔트로피의 증가만으로도 나타난다는 것입니다.

또한 엔트로피적 시간의 속도는 엔트로피가 얼마나 빨리 변하느냐에 따라 빨라지거나 느려질 수 있습니다. 원자가 밝은 영역에서 어두운 영역으로 쏟아져 들어가는 급격한 팽창기에는 엔트로피적 시간이 더 빨리 흘렀고, 느린 수축기에는 속도가 줄었습니다. 이는 단순한 철학적 속임수가 아닙니다. 연구팀은 양자 역학의 핵심 방정식인 슈뢰딩거 방정식을 엔트로피적 시간을 진화 매개변수로 사용하여 다시 썼습니다. 그 결과, 원자 구름의 확률 분포 진화가 실험실의 스톱워치가 아닌 무질서로 정의된 시간 매개변수임에도 불구하고 표준 양자 예측과 일치한다는 것을 발견했습니다.

2만 4,000개 원자의 미니 우주가 양자 중력에 의미하는 것

이번 연구는 주로 칠판 계산에 머물러 있던 아이디어들에 대해 드문 실험적 창을 열어주었습니다. 일반 상대성 이론은 시간을 역동적으로 취급하는 반면 양자 역학은 고정된 배경 시계를 요구하기 때문에, 양자 중력 이론들은 종종 시간 문제로 어려움을 겪습니다. 통제된 실험실 환경에서 엔트로피로부터 시간이 발생할 수 있다면, 이는 초기 우주의 시간의 화살이 근원적인 시계가 아니라 빅뱅 이후 급격한 엔트로피 증가에서 비롯되었다는 모델에 힘을 실어줍니다.

바론티니의 실험 환경이 엔트로피적 시간을 탐구한 최초의 사례는 아니지만, 주기마다 모니터링할 수 있는 양자 다체 시스템에서 이를 입증한 최초의 사례 중 하나입니다. 이전의 제안들은 추상적인 사고 실험이나 반복할 수 없는 우주론적 관측에 의존했습니다. 이번 실험에서 연구팀은 시스템을 초기화하고 화살이 항상 미래를 가리키며 다시 나타나는 것을 관찰할 수 있었습니다. 바론티니는 “이는 양자 중력에서 시간의 본질에 대한 새로운 통찰을 제공한다”며, “기존의 시간만큼이나 효과적으로 역학을 기술하는 데 사용될 수 있다”고 말했습니다.

이 플랫폼은 또한 거의 교류가 없던 두 커뮤니티, 즉 냉각 원자 실험가들과 양자 중력 이론가들을 연결합니다. 최고의 원자 시계를 구동하는 광학 트랩 기술이 이제 시간의 본질을 탐구하는 데 재활용될 수 있습니다. 이것은 더 나은 시계를 만드는 것에 관한 것이 아니라, 시계가 과연 필요한지를 묻는 것입니다.

칠판에서 실험대까지: 검증 불가능한 것을 검증하다

수십 년 동안 시간의 발생에 관한 질문들은 순수 이론 물리학의 영역에 머물러 있었습니다. 버밍엄 실험은 이러한 질문 중 적어도 한 가지 버전은 이제 실험적으로 다룰 수 있음을 보여줍니다. 레이저 장벽이나 원자 수를 조정함으로써 연구자들은 가속 팽창부터 열사(heat death)와 같은 최종 상태에 이르기까지 다양한 우주론적 시나리오를 시뮬레이션할 수 있습니다. 바론티니는 이 플랫폼이 향후 블랙홀 유사체를 조사하거나 양자 및 중력 효과가 공존하는 초기 우주의 조건을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다고 제안했습니다.

물론 2만 4,000개의 원자 가스는 실제 우주와는 거리가 멉니다. 시스템은 비상대론적이며 중력은 아무런 역할을 하지 않습니다. 여기서 정의된 엔트로피적 시간은 근본적인 장(field)이 아니라 유효 매개변수입니다. 비판론자들은 이 실험이 시간이 실제로 창발한다는 것을 증명하지 못한 채 단순히 시간의 정의를 하나에서 다른 것으로 대체했을 뿐이라고 주장할 수도 있습니다. 하지만 버밍엄 연구팀은 이 논쟁을 종결했다고 주장한 적이 없습니다. 그들은 엔트로피를 시계로 받아들인다면 양자 역학은 일관성을 유지하며 시간의 화살이 지속된다는 것을 입증했을 뿐입니다. 이는 엔트로피적 시간이 물리적으로 의미를 갖기 위한 필요조건이지 충분조건은 아닙니다.

마스터 시계가 없는 실험실 우주

더 넓은 의미에서 보면 시간은 우리가 생각하는 것만큼 근본적인 것이 아닐 수 있습니다. 일상생활에서 우리는 세슘 분수 시계, 수정 발진기, 지구의 자전 등 사건을 동기화하기 위해 시계에 의존합니다. 하지만 가장 깊은 수준에서 우주는 내장된 메트로놈을 가지고 있지 않을지도 모릅니다. 흐르는 현재라는 경험은 끊임없이 증가하는 무질서로부터 발생하는 거시적 환상일 수 있습니다. 바론티니의 챔버 안에서 원자들이 밝은 영역과 어두운 영역 사이를 오갈 때, 그들은 시간을 측정하고 있던 것이 아니라 시간을 생성하고 있었던 것입니다.

이번 실험은 유럽 기초 물리학계의 미묘한 시점에 발표되었습니다. CERN의 미래 원형 충돌기(Future Circular Collider) 연구가 수십억 달러의 예산을 두고 경쟁하는 동안, 각국 연구소들은 냉각 원자 플랫폼을 유지하기 위해 고군분투하고 있습니다. 표준 영국 연구 보조금을 지원받은 바론티니의 연구는 대형 충돌기 실험 비용의 일부에 불과하지만, 그만큼 깊은 질문을 다루고 있습니다. 이는 가장 심오한 수수께끼가 때로는 광학 테이블 위에 들어맞을 수 있다는 사실을 상기시켜 줍니다.

연구팀은 얽힘 현상이 포함된 더 복잡한 시스템을 탐구하여 양자 역학의 완전한 기묘함 속에서도 엔트로피적 시간이 유지되는지 확인할 계획입니다. 만약 그렇다면 보편적 시계라는 개념은 물리학 법칙에서 서서히 물러날 것이며, 어쩌면 입자의 비가역적인 확산 이상의 것으로 대체될지도 모릅니다.

현재로서는 버밍엄 트랩에 있는 2만 4,000개의 원자가 조용히 놀라운 일을 해냈습니다. 그들은 우주가 오직 변화만으로 작동할 수 있음을 보여주었습니다. 시계는 필요하지 않습니다. 하지만 이 엔트로피적 시간이 모든 물리학 교과서에 사용되는 기존의 시간을 궁극적으로 대체할 수 있을지는 여전히 미지수입니다. 원자들은 자신들의 주장을 펼쳤습니다. 나머지는 이론가들의 몫이며, 언제나 그렇듯 다음 연구 보조금 주기의 몫입니다.

출처

• Physical Review Research (2만 4,000개 원자 양자 시스템의 엔트로피적 시간에 관한 연구 논문)
• 버밍엄 대학교 보도 자료
• EurekAlert 멀티미디어 (초저온 루비듐 트랩 이미지)