When do quantum systems source gravity and how can we test it?

중력은 우리의 발을 땅에 붙들어 매고 행성들을 궤도에 유지시키는 힘이지만, 동시에 현대 물리학에서 가장 고집스러운 미스터리이기도 합니다. 1세기 넘게 과학자들은 두 가지 위대한 이론을 통합하기 위해 노력해 왔습니다. 즉, 질량이 있는 물체에 의해 시공간이 매끄럽게 휘어지는 것으로 설명하는 일반 상대성 이론과, 가장 작은 입자들의 혼돈스럽고 확률적인 행동을 설명하는 양자 역학입니다. 문제는 이 두 이론이 서로 다른 언어를 사용한다는 점입니다. 물리학자들이 이 둘을 결합하려고 하면 수학적 계산이 종종 무너져, 무한한 값이나 터무니없는 결과를 만들어냅니다. 이로 인해 많은 이들이 빛이 광자로 이루어져 있듯이 중력 또한 아주 작은 불연속적인 입자들로 이루어져 있을 것이라고 믿게 되었습니다. 그러나 오랫동안 묵살되어 온 또 다른 가능성이 있습니다. 바로 중력이 매끄러운 고전적 힘으로 남되, 양자 체계가 특정한 방식으로 주변 환경과 상호작용할 때만 "켜진다"는 것입니다.

퀸즐랜드 대학교의 연구원인 프란시스코 피파(Francisco Pipa)는 이 수수께끼를 생각하는 새로운 방식을 제안합니다. 그의 연구는 중력이 모든 양자 입자에 의해 항상 생성되는 일정한 장(field)으로서 존재하는 것이 아니라고 주장합니다. 대신, 그는 양자 체계가 특정한 결정적 결과를 이끌어내는 일련의 상호작용 과정에 참여할 때만 중력장을 소스(source)로 가진다, 즉 중력적 끌림을 생성한다고 주장합니다. 양자 세계에서 입자들은 종종 여러 곳에 동시에 존재하거나 여러 상태에 놓여 있는 중첩 상태로 존재합니다. 피파는 입자가 이러한 고립된 중첩 상태로 남아 있는 동안에는 중력을 생성하지 않는다고 제عل합니다. 입자가 환경에 의해 단일하고 확정적인 상태를 선택하도록 강요받는 과정인 '결어긋남(decoherence)'을 일으키는 방식으로 다른 물질과 상호작용할 때 비로소 중력의 원천으로서 작능하기 시작한다는 것입니다. 이는 질량이 고립되어 있든 상호작용하고 있든 상관없이 항상 중력을 생성한다는 표준적인 관점에 도전하는 생각입니다.

이 논문은 인과관계의 사슬로부터 중력이 창발하는 프레임워크를 개설합니다. 피파는 이러한 사슬을 '안정적 결정 사슬(stable determination chains)'이라고 부릅니다. 한 양자 체계가 다른 체계와 상호작용하여 그 상호작용의 기록을 만들고, 이것이 다시 세 번째 체계가 상호작용할 수 있게 하는 일련의 과정을 상상해 보십시오. 정보가 전달되고 확정적인 결과가 확립되는 이러한 사슬 내부에서만 중력장이 나타납니다. 만약 어떤 체계가 이러한 사슬으로부터 완전히 고립되어 있다면, 그 체계는 질량을 가지고 있더라도 중력을 생성하지 않고 진화합니다. 이 접근 방식은 중력을 입자로 양자화할 필요를 피합니다. 대신, 중력을 양자 물질이 상호작용을 통해 확정적인 상태로 정착하는 방식으로부터 발생하는 조건부 현상으로 취급합니다.

이 파격적인 아이디어를 테스트하기 위해, 피파는 기존 이론들과 구별될 수 있는 몇 가지 실험을 제안합니다. 주요 제안 중 하나는 중력이 두 입자를 얽히게(entangle) 할 수 있는지 확인하기 위해 설계된 보즈-마를로토-베드럴(Bose-Marletto-Vedral) 실험입니다. 이 실험에서는 두 개의 질량이 서로 다른 위치에 중첩된 상태로 놓입니다. 만약 중력이 양자적인 힘이라면, 두 질량을 연결하여 공유된 양자 상태를 만들어낼 수 있어야 합니다. 피파의 이론은 이 실험에 대한 귀무 가설을 제시합니다. 즉, 두 질량이 고립되어 있고 결어긋남을 유도하는 사슬의 일부가 아니기 때문에, 중력장을 전혀 생성하지 않을 것이라고 예측합니다. 따라서 그들은 얽히지 않을 것이며, 실험은 중력 효과를 보여주지 않을 것입니다. 만약 실험에서 얽힘이 나타난다면 피파의 이론은 부정될 것입니다. 그러나 질량들이 얽히지 않은 상태로 남아 있다면, 이는 중력이 조건부라는 아이디어를 뒷받침할 것입니다.

논문은 또한 양자 회로를 사용하는 더 직접적인 테스트를 제안합니다. 연구자들은 시스템이 언제 "결정 사슬"에 진입할지를 정확히 제어할 수 있는 회로를 구축할 수 있습니다. 시스템을 고립시킨 다음, 다른 체계들의 사슬에 선택적으로 상호작용하게 함으로써, 시스템의 중력장을 켜고 끌 수 있습니다. 이론이 옳다면, 시스템은 사슬의 일부로서 활발히 작동할 때만 측정 가능한 중력적 끌림을 생성해야 합니다. 이를 통해 과학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 중력을 생성하는 행위 자체를 제어할 수 있으며, 이는 이전에 시연된 적이 없는 능력입니다.

피파의 작업은 거시적 규모에서의 우주의 본질도 다룹로니다. 만 만약 중력이 이러한 상호작용의 사슬으로부터만 발생한다면, 그러한 상호작용이 결여된 우주의 진공은 자체적인 중력장을 갖지 않을 것입니다. 이는 우주의 팽창을 가속하는 신비로운 힘인 우주 상수(cosmological constant)를 이해하는 새로운 방법을 제시합니다. 논문은 이 상수의 값이 고정된 것이 아니라, 우주 내의 상호작용 수가 변화함에 따라 시간에 따라 변할 수 있다고 제안합니다. 이는 암흑 에너지가 점점 약해지고 있는 현상을 설명할 수 있는데, 현재의 이론들은 이 현상을 설명하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

이 제안의 강점은 새로운 입자나 힘을 발명하지 않고도 오랜 난제들을 해결할 수 있는 능력에 있습니다. 그것은 양자 역학의 '기이함'과 중력의 '매끄러움'이 충돌하는 것이 아니라, 중력이 단순히 양자 체계가 상호작용을 통해 확정되는 결과임을 시사합니다. 이 논문은 아직 이 이론을 증명했다고 주장하지 않습니다. 대신, 실험실에서 테스트할 수 있는 명확한 규칙과 예측을 제공합니다. 제어된 양자 회로와 수정된 보즈-마를로토-베드럴 설정을 포함한 구체적인 실험들을 제안함으로써, 피파는 중력이 어디에나 존재하는 근본적인 힘인지, 아니면 양자 세계가 스스로와 상호작용할 때 나타나는 조건부 효과인지를 결정할 수 있는 길을 제시합니다.

이 연구의 함의는 심오합니다. 만약 중력이 조건부라면, 시공간의 구조는 사건들이 펼쳐지는 정적인 무대가 아니라, 물질의 상호작용으로부터 창발하는 역동적인 구조임을 의미합니다. 이는 우주가 일정한 중력장으로 채워져 있는 것이 아니라, 마치 사람들이 사슬처럼 정보를 전달하듯 상호작용의 네트워크를 통해 중력이 퍼져 나가는 현상임을 시사합니다. 이 관점은 블랙홀 중심의 무한히 밀도가 높은 지점인 특이점(singularity) 문제를 해결할 수 있습니다. 만약 중력이 오직 상호작용이 일어나는 곳에만 존재한다면, 상호작용이 멈출 수 있는 블랙홀의 가장 깊은 핵 부분에서는 중력이 사라지고, 대신 평탄하고 빈 공간이 남게 될 것입니다.

궁극적으로, 이 논문은 양자 세계와 우주 사이의 관계를 재고할 것을 권합니다. 그것은 별과 은하를 형성하는 힘이 일정한 배경적 존재가 아니라, 물질이 현실로 정착하는 방식의 결과물이라고 제안합니다. 중력이 나타나는 조건에 초점을 맞춤으로써, 피파는 매우 작은 것과 매우 큰 것 사이의 간극을 메울 수 있는 새로운 관점을 제공합니다. 중력이 나타나는 조건을 규명함으로써, 우리는 아주 작은 것과 아주 큰 것 사이의 다리를 놓는 물리적 실체를 향한 여정을 시작하게 될 것입니다.