Observing relativistic trajectories of single photons

고전 물리학의 세계에서 움직이는 물체의 경로는 명쾌한 이야기입니다. 만약 당신이 어느 한 순간에 공이 어디에 있고 얼마나 빠르게 움직이는지를 안다면, 1초 후나 1년 후에 공이 정확히 어디에 있을지 계산할 수 있습니다. 이 관점에서 우주는 모든 입자가 명확하고 예측 가능한 선을 따르는 태엽 장치와 같은 기계입니다. 아주 작은 세계의 규칙서인 양자 역학은 이러한 확실성을 산산조각 냈습니다. 물리학자들이 거의 한 세기 동안 양자 이론을 이해해 온 표준적인 방식에 따르면, 광자와 같은 입자는 단일하고 실재하는 경로를 갖지 않습니다. 대신, 그것들은 퍼져 있는 가능성의 파동으로 존재하며, "지금 입자가 어디에 있는가?"라는 질문은 측정되는 순간 전까지는 무의미한 질문으로 간주됩니다. 이는 입자들이 정말 지도가 없이 방황하는 것인지, 아니면 단지 우리의 현재 도구로는 볼 수 없는 숨겨진 경로를 따르고 있는 것인지에 대한 오랜 논쟁을 불러일으켰습니다.

보옴 역학(Bohmian mechanics)이라고 알려진 양자 이론의 특정 해석은, 비록 찾기는 어렵더라도 입자가 명확한 궤적을 가지고 있다고 주장합니다. 그러나 수십 년 동안 이 아이디어는 가장 빠른 속도로 움직이는 사물들을 다스리는 아인슈타인의 상대성 이론과 부합하는 데 어려움을 겪었습니다. 최근, 이 두 세계를 성공적으로 결합하여, 광자가 빛의 속도로 이동할 때조차 그 속도와 경로를 계산할 수 있는 새로운 이론적 틀이 등장했습니다. 이 새로운 이론은 기묘한 사실을 예측했는데, 바로 광자의 파동적 성질이 스스로와 어떻게 간섭하느냐에 따라 광자의 경로가 어떤 곳에서는 빛보다 느리게 움직이고, 다른 곳에서는 빛보다 빠르게 움직이는 것처럼 보일 수 있다는 것이었습니다. 지금까지 이것은 실제 세계에서 검증되지 않은, 수학적인 호기심에 불과했습니다.

퀸즐랜드 대학교의 연구진은 시드니 대학교 및 맥쿼리 대학교의 동료들과 협력하여 이 이론을 실험실로 가져왔습니다. 그들은 미켈슨-사그낙 간섭계(Michelson-Sagnac interferometer)라고 불리는 특수 장치를 통해 단일 광자가 이동하는 실제 경로를 재구성하고자 했습니다. 이 설정에서 단일 광자는 서로 반대 방향으로 이동한 뒤 다시 만나는 두 부분으로 나뉩니다. 연구진은 광자를 직접 추적하려고 하지 않았는데, 이는 광자를 파괴하지 않고서는 불가능하기 때문입니다. 대신 그들은 '약한 측정(weak measurements)'이라는 영리한 기술을 사용했습니다. 유령의 비행을 방해하지 않고 살짝 스쳐 지나가며 그 유령의 속도를 알아내려는 것을 상상해 보십시오. 이것이 본질적으로 연구팀이 수행한 작업입니다. 그들은 광자의 운동량에 대해 부드럽고 비침습적인 일련의 점검을 수행한 뒤, 마지막으로 광자가 어디에 도달했는지에 대한 강력한 점검을 수행했습니다. 이 과정을 수천 번 반복하며 동일한 광자들을 사용하여, 그들은 광자들이 따르는 것처럼 보이는 평균적인 경로를 조립해 낼 수 있었습니다.

결과는 새로운 상대론적 이론의 예측을 확인해주었습니다. 광자들이 두 개의 반대 경로에 의해 만들어진 간섭 패턴을 통과할 때, 재구성된 궤적은 기이한 행동을 보여주었습니다. 파동이 서로를 강화하는 영역에서 광자는 빛의 속도보다 느리게 움직이는 것처럼 보였습니다. 반면 파동이 서로를 상쇄하는 영역에서 광자는 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것처럼 보였습니다. 이것은 광자가 보편적인 속도 제한을 어겼거나 정보를 과거로 보냈다는 의미가 아닙니다. 오히려 이는 보옴 경로 자체의 직관에 어긋나는 특성을 드러내는 것입니다. 연구진은 표준 물리학이 단일 경로를 따른다고 말하는 단일 광자가, 간섭 무늬를 가로지르는 동안 실질적으로 이러한 아광속(sub-light)과 초광속(super-light) 속도를 번갈아 가며 오간다는 것을 발견했습니다.

실험은 레이저에서 생성된 단일 광자를 사용하여 진행되었으며, 광자들이 개별 입자처럼 행동하도록 정밀하게 제어되었습니다. 연구팀은 빛을 유도하기 위해 일련의 거울과 빔 분할기를 사용했으며, 파동의 성질을 붕괴시키지 않으면서도 필요한 데이터를 수집할 수 있을 만큼만 편광을 통해 광자의 운동량을 부드럽게 인코딩하는 특수한 형태의 반파장판(half-waveplate)을 사용했습니다. 그들이 수집한 데이터는 광자의 행동이 우리의 일상적인 경험과는 근본적으로 다르지만, 보옴 역학의 관점에서 볼 때 고전적인 상대론적 틀 안에 완벽하게 들어맞는다는 것을 보여주었습니다. 이 연구는 이러한 상대론적 궤적에 대한 첫 번째 실험적 접근을 제공하며, 이 특정 양자 역학 해석이 예측한 이례적이고 직관에 어긋나는 특성들이 단순한 이론적 산물이 아니라 물리적 세계의 실제 특징임을 증명했습니다. 이러한 경로를 매핑함으로써, 연구진은 입자가 속도와 공간의 극한에서 어떻게 움직이는지를 이해하는 새로운 창을 열었으며, 입자가 항상 존재할 곳을 가지고 있지만, 그곳이 우리가 상상했던 것보다 훨씬 정의하기 어려운 곳인 현실의 버전을 탐구할 수 있는 구체적인 방법을 제시했습니다.