[과학 이야기] 원자 간섭계로 '시간 상대성' 검증

아인슈타인이 일반 상대성 이론의 핵심으로 제시한 시간의 상대성 즉 "중력의 세기에 따라 시간의 흐름이 달라진다"는 가설이 기존 연구보다 1만배나 정확한 방식으로 새로 검증됐다고 사이언스 데일리가 보도했다.

시간의 상대성은 이미 항공기나 로켓 실험으로 입증되긴 했지만 미국 버클리 캘리포니아대학 연구진은 중력장을 측정하는 원자간섭계를 이용해 이를 보다 확실하게 입증했다고 네이처지 최신호에 발표했다.

원자간섭계 개발의 주역인 스티븐 추 에너지부 장관을 포함한 연구진은 `물질은 입자인 동시에 파동'이라는 양자역학 원리를 응용 세슘 원자의 파동을 초당 3X10의 25제곱번씩 진동하는 시계로 사용하고 세 가닥의 레이저로 원자를 자극해 동시에 두 가지 상태로 운동하게 만들었다.

즉 한 상태에서 레이저파로 원자를 0.1㎜ 밀면 자기장으로부터 미세한 수준으로 떠오르지만 또 다른 상태에서는 중력 우물 안에 정지한 채 가만히 있어 시간의 흐름이 느려지게 된다.

세슘 물질파의 주파수는 너무 높아 측정이 불가능하기 때문에 연구진은 두 상태에 있는 물질파 사이에서 간섭계를 이용해 진동의 차이 즉 적색이동을 측정했다.

시간의 상대성은 중력적색이동으로 불리기도 하는데 이는 광파의 진동이 중력에 의해 끌려갈 때는 속도가 느려져 더 붉은 색을 띠게 되기 때문이다.

그 결과 0.3초 간의 자유낙하에서 물질파는 약 100만번 더 진동하는 것으로 나타났다. 다시 말해 중력이 잠시 줄어들자 더 오랜 시간이 경과한 것이다.

이런 실험 결과는 일반상대성 이론의 공식으로 예상되는 시간 지연 효과와 정확히 일치하는 것으로 나타났다.