Using a modified Cavendish experiment to measure dynamics of unexpected effect thanks to modern technology

중력은 우리의 발을 땅에 붙들어 매고 행성들을 궤도에 머물게 하는 힘이며, 너무나 익숙한 현상이라 우리는 그것이 구체적으로 어떻게 작동하는지 좀처럼 의문을 제기하지 않는다. 수 세기 동안 과학자들은 중력이 물체의 질량에 직접적으로 의존하는 강도로 물체를 끌어당긴다는 점을 이해해 왔다. 즉, 더 무거운 물체는 더 가벼운 물체보다 더 강한 끌림을 느끼지만, 두 물체 모두 같은 속도로 떨어진다. 이와 대조적으로, 물체를 밀거나 당길 수도 있는 전기력은 다르게 작동한다. 인력의 강도는 물체의 무게가 아니라 물체의 전하량에 따라 결정된다. 물리학자들이 이러한 힘들을 측정하기 위해 정밀한 기기를 제작할 때, 그들은 결과가 이러한 잘 확립된 법칙들과 일치할 것이라고 기대한다. 만약 실험이 이러한 법칙들에 모순되는 무언가를 보여준다면, 그것은 측정상의 결함이거나 혹은 새롭고 알려지지 않은 힘의 발견을 시사한다.

최근 한 연구에서 프라하의 한 독립 연구자는 이전의 장기 실험에서 관찰된 기이한 행동을 조사하기 위해 착수했다. 연구자는 힘이 가해질 때 뒤틀리는 가는 와이어에 매달린 막 형태인 토션 진자(torsion pendulum)라고 알려진 매우 민감한 장치를 사용하여, 장치가 다양한 유형의 자극에 어떻게 반응하는지 측정하고자 했다. 목표는 고전압 전기에 의해 생성된 알려진 힘과, 단순한 전구에 의해 생성된 '예상치 못한 효과'를 비교하는 것이었다. 전기는 물리학이 예측하는 대로 정확하게 작동했지만, 전구는 설명할 수 없는 결과를 만들어냈으며, 중력과 유사하면서도 다른 면에서는 중력과 모순되는 역학을 보이며 현재의 이론으로는 설명할 수 없는 타이밍으로 움직였다.

실험은 외부의 진동과 기류로부터 민감한 장비를 보호하기 위해 지하 깊은 곳의 밀폐된 창문 없는 방에서 진행되었다. 설정의 중심에는 가느다란 텅스텐 와이어에 매달린 탄소 섬유로 된 긴 팔이 있었다. 이 팔의 각 끝에는 무거운 무게추가 달려 있었다. 18세기에 수행된 이 실험의 고전적인 버전에서는, 매달린 무게추 근처로 커다란 정지된 무게추들을 이동시켜 중력을 테스트했다. 이 현대적 버전에서 연구자는 움직이는 무게추를 컴퓨터에 의해 켜고 끌 수 있는 두 개의 용기로 대체했다. 한 용기에는 신비로운 효과의 근원 역할을 하는 표준 105와트 전구가 들어 있었다. 다른 설정은 강력한 전기장을 생성하기 위해 용기를 고전압 전원에 연결하는 것이었다. 전체 과정은 레이저 센서에 의해 모니터링되었으며, 이 센서들은 미세한 정밀도로 팔의 움직임을 측정했고, 그동안 방 안은 인간의 존재가 결과에 영향을 미치지 않도록 비어 있는 상태를 유지했다.

연구자들이 고전압원을 켰을 때, 결과는 그들이 예상했던 그대로였다. 전기력은 무게추를 밀었고, 무거운 무게추는 가벼운 무게추보다 더 느리게 움직였는데, 이는 질량에 의존하지 않는 힘에 대한 물리학 법칙이 예측하는 바와 일치했다. 움직임의 타이밍 또한 표준 계산과 일치했다. 그러나 전구를 켰을 때, 행동은 완전히 바뀌었다. 무거운 무게추가 가벼운 무게추보다 더 빠르게 움직였는데, 이는 전기력과는 정반대의 결과였다. 더욱이, 전구에 의한 팔의 뒤틀림 정도는 무거운 무게추에서 훨씬 더 크게 나타났으며, 이는 전구의 힘이 중력처럼 물체의 질량에 비례하여 작용하고 있음을 시사했다.

가장 당혹스러운 발견은 단순히 무게추가 어떻게 움직였느냐가 아니라, 언제 움직였느냐 하는 것이었다. 연구자들은 펜듈럼의 자연스러운 흔들림 속도와 일치하는 리듬 패턴으로 자극을 켜고 끄며 시스템을 테스트했다. 고전압원을 사용했을 때 무게추는 컴퓨터 시뮬레이션이 예측한 정확한 순간에 반응했다. 하지만 전구의 경우, 무게추는 4분의 1 주기 후에 반응했다. 만약 펜듈럼이 앞뒤로 흔들리고 있다면, 전구의 영향은 무게추가 흔들림의 맨 꼭대기에 있을 때 정점에 달하는 듯 보였던 반면, 전기력은 무게추가 중간에서 가장 빠르게 움직일 때 정점에 달했다. 이 90도의 위상 차이는 일관되고 재현 가능했으며, 무게추의 크기와 관계없이 모든 테스트에서 나타났다.

연구자는 이 결과들을 두 가지 주요 아이디어, 즉 힘이 물체의 질량과 독립적으로 작용한다는 아이디어와 힘이 중력처럼 질량에 직접적으로 연결되어 있다는 아이디어와 비교했다. 전구에 의한 결과는 무거운 무게추가 더 빠르게 움직이고 더 큰 호를 그리며 흔들린다는 점 등 어떤 면에서는 '중력과 유사한' 아이디어와 일치했다. 그러나 전구의 정적 편차 결과는 중력 가설과 일치하지 않았으며, 동적 측정에서 나타난 패턴과 모순되었다. 또한, 움직임의 기이한 타이밍은 두 모델 모두에 부합하지 않았다. 알려진 물리 법칙에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션은 이러한 지연 반응을 재현할 수 없었다. 연구자는 전구 자체가 반응하는 데 느린 것은 아닌지도 고려했으나, 계산 결과 전구의 설계로 인한 지연은 이 거대한 타이밍 변화를 설명하기에는 너무 작았다. 지배적인 요인은 자극에 대한 펜듈럼의 응답에서 나타난 실제적인 위상 변화였다.

측정의 정밀함과 철저한 통제에도 불구하고, 이 '전자기-중력 효과'의 본질은 여전히 미스터리로 남아 있다. 이 연구는 이 효과가 실재하며 측정 가능하다는 점을 확인해주지만, 무엇이 그것을 일으키는지는 설명하지 못한다. 연구 결과는 이 상호작용이 동적 효과에 있어서 질량 의존성 측면에서는 중력과 다소 비슷하게 행동하지만, 정적 편차에서는 중력과 모순되며, 현재의 물리 법칙으로는 설명할 수 없는 타이밍을 보인다는 것을 시사한다. 연구자는 이 예상치 못한 행동을 성공적으로 분리해 냈지만, 이를 설명하기 위해서는 새로운 이론이나 빛, 전기, 그리고 중력이 아직 관찰되지 않은 방식으로 어떻게 상호작용하는지에 대한 더 깊은 이해가 필요할 것이라고 결론지었다. 현재로서는, 전구는 과학이 아직 해독하지 못한 리듬에 따라 펜듈럼을 계속해서 밀어내고 있다.