중력에 의해 증가하는 관측 해상도와 양자효과
우주를 구성하는 물질 중 우리가 이해하는 ‘보통 물질’은 단 5%에 불과하다. 나머지 95%는 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다는 것이 현대 우주론의 정설이다. 하지만 최근 국내 연구진이 암흑물질과 암흑에너지가 실재하는 물질이 아니라, 고전역학에 양자역학 효과를 추가했을 때 나타나는 현상일 수 있다는 결과를 내놨다. 김경연 삼성전자 반도체연구소 CSE(Computational Science & Engineering)팀 연구원은 해당 연구 결과를 3월 28일 국제학술지 ‘현대물리 국제저널 (IJMPD)’에 발표했다. doi: 10.1142/S0218271826500100
현대 물리학은 은하 외곽의 별들이 예상보다 빠르게 회전하는 현상을 설명하기 위해 중력을 더해줄 ‘암흑물질’을, 우주가 가속 팽창하는 이유를 설명하기 위해 밀어내는 힘인 ‘암흑에너지’를 도입했다. 하지만 지난 수십 년간의 탐색에도 불구하고 이들의 실체는 발견되지 않았다. 김 연구원은 미스테리한 현상을 풀기 위해 암흑물질과 암흑에너지 개념을 도입하지 않고, 우리가 사용하는 고전적 물리 법칙의 불완전성을 보완해야 한다고 봤다.
이에 김 연구원은 양자역학을 위상공간에서 표현하는 ‘위그너-모얄(Wigner-Moyal) 방정식’에 주목했다. 일반적으로 양자역학은 슈뢰딩거 방정식과 같이 파동방정식으로 표현되기에, 입자의 운동을 다루는 고전역학과의 직접적 연결이 어렵다. 하지만 위그너-모얄 방정식은 고전역학에 양자효과를 추가한 수식, 즉 ‘고차 양자 보정항’을 더한 형태’다. 고차 양자 보정항의 특성만 분석한다면 고전역학에서 고려하지 못하던 숨겨진 양자효과를 직관적으로 해석할 수 있다.
이를 통해 먼 우주를 관측하면 중력과 해상도가 낮아지면서 양자보정이 약해진다. 이는 먼 우주의 적색편이가 작아지고 광도거리가 멀어져 우주가 마치 가속 팽창하는 것처럼 보이게 한다. 결과적으로 암흑물질과 암흑에너지를 각각 ‘양자 보정’과 ‘거리 증가에 따른 그 감소 효과’로 해석할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다. 즉, 우리가 암흑물질과 암흑에너지라고 믿었던 것들이 사실은 고전역학에서 놓치고 있던 양자 효과들의 집합체라는 뜻이다.
아직은 조심스럽지만, 이번 연구는 암흑물질을 둘러싼 문제를 해결할 새로운 방법을 보여줬다는 평가다. 일반상대성이론과 암흑물질, 암흑에너지라는 서로 다른 영역의 현상들을 ‘양자 보정’이라는 하나의 원리로 통합한 설명은 그간 과학계가 시도하지 않았던 방법이다. 김 연구원은 과학동아에 “암흑물질과 암흑에너지는 어쩌면 우리가 자연을 고전적인 시각으로만 바라봤을 때 나타나는 신기루일지 모른다”며 “우주의 원리를 이해하는 새로운 돌파구가 되길 기대한다”고 전했다.
