빛을 압축해 나가면 "존재 확률이 겹쳐 반대로 압력이 내려가는" 현상을 확인
주사기나 피스톤에 가둔 공기를 눌러 가면 처음에는 쉽게 압축할 수 있지만 누르면 누를수록 더욱 힘이 필요해진다.
그러나 가두어 둔 것이 공기가 아니라 광자(光子)의 경우는 조금 다른 것 같다.
독일 본대학(University of Bonn)에서 진행된 연구에 따르면 작은 상자에 광자(光子)를 넣고 힘을 가해 압축해 나가자 어느 순간부터 거의 저항이 사라지는 모습이 실험적으로 확인됐다는 것.
그러나 도대체 왜 빛은 중간부터 압축에 필요한 힘이 줄어드는 것일까?
자세한 연구내용은 2022년 3월 24일 Science에 게재되었다.
◇ 빛을 압축해 나가면 갑자기 저항력이 없어지는 이상 현상을 확인
주사기와 피스톤에 들어가 있는 공기를 꽉 압축한 경험은 많은 사람에게 있다.
결과는 '처음에는 쉽게 누를 수 있지만, 중간부터 점점 힘이 더 필요해진다'고 알고 있을 것이다.
한편으로 물은 힘을 가해도 거의 부피가 변화하지 않다.
엄청난 힘을 들이면 근소하게 압축되지만 주변 물품으로는 물의 압축을 실감할 수 없을 것이다.
이와 같이 공기나 물과 같은 물질에는 특성에 맞는 압축이 용이성이 존재하나 대체로 누르면 누를수록 압축하기 어려워지는 경향이 있다.
그러면 빛은 어떨까요?
지금까지 다양한 물질을 압축해 온 인류는 빛을 압축하는 데 필요한 힘을 자세히 측정한 경우가 거의 없었다.
빛은 통신과 거리측정에만 사용되기 때문에 '빛의 기계적인 압력'이 요구되는 경우는 거의 없었기 때문이다.
본대학의 연구자들은 빛을 거울로 덮은 작은 상자에 담아 바깥쪽에서 압축해 보기로 했다.
그러면 처음에는 예상대로 누르면 누를수록 빛은 저항이 증가해 갔다.
빛의 단위인 광자는 질량이 없지만 운동에너지는 있기 때문에 빛이 비추어진 물체는 밀리는 힘이 작용한다.
이 빛에 의한 미는 힘을 이용해 현재, 광속의 30%까지 가속 가능한 광학범선(솔라 세일)의 계획을 하고 있다.
한편, 이 빛이 미는 힘은 압축시에 저항력으로 관측된다.
연구자들이 작은 상자 속의 광자를 압축하면 공기나 가스와 같이 압축에 따른 저항력을 발생시켰다.
또 작은 상자에 채우는 광자의 수를 늘리면(밀도를 늘리면), 같은 압축폭을 얻으려면, 보다 큰 힘이 필요하게 되었다.
이 저항력의 증가는 주로, 작은 상자 안에서 광자가 벽에서 벽으로 되돌아 오는 빈도에 의존하고 있다.
광자를 작은 상자에 많이 넣으면 저항력이 오르는 것도 광자의 수에 따라 되돌아오는 빈도가 증가했기 때문이다.
그러나 어느 단계를 넘어 힘을 가하다 보면 이상한 일이 벌어지기 시작한다.
압축에 필요한 힘이 급격히 약해져 거의 힘을 가하지 않아도 빛은 압축이 가능하게 되었다.
압축된 빛에 도대체 무슨 일이 일어났던 것일까?
◇ 저항이 없어지는건 존재확률이 겹쳐기 때문
압축된 빛에 무슨 일이 일어났을까?
해답은 고전 물리의 세계가 아니라 양자역학의 세계에 있었다.
빛의 단위인 광자는 입자로서의 성질뿐만 아니라 파동으로서의 성질이 있어 존재 위치가 점처럼 확고하지 않고 모호하게 되어 있다.
또한 광자는 산소 분자나 메탄 분자와는 달리 서로 가까워져도 전기적으로 '반발'하지 않는다.
따라서 광자의 밀도가 어느 단계를 넘으면 광자의 존재 확률이 서로 겹쳐 하나의 광자 '초광자'처럼 행동할 수 있게 된다.
또한 파동으로 해석했을 경우, 겹치기 시작한 광자의 파동는 점점 불선명해지고, 최종적으로는 구별을 할 수 없게 되어 갔다.
작은 상자 속의 광자들이 중간부터 거의 압력을 가하지 않고 압축할 수 있었던 것도 여러 광자가 모여드는 분자, 원자에게는 볼 수 없는 현상이 일어나고 있었기 때문이다.
덧붙여 압축에 거의 힘이 없는 보너스 타임은, 작은 상자안의 광자가 완전하게 융합한 상태(응축체)에 이르면 종료한다.
반대로 말하면, 보너스 타임 때에 가해지는 미약한 힘은 광자가 하나나하나에서 전체로 정리되기 위해 필요한 힘에 의존하고 있는 것이다.
연구자들은 이 광자의 기계적인 성질을 이용하여 초고감도 측정장치를 개발할 수 있다고 말한다.
일반적인 무게 측정에는 스프링과 감압장치가 사용되는데 광자에 의한 압력변화는 인류가 작성할 수 있는 어떤 스프링보다 정확하게 질량 측정이 가능해지기 때문이다.
측량기술은 연산기술과 마찬가지로 인류 과학의 기초가 된다.
광자에 의한 질량측정은 과학발전의 미래를 위해 반드시 필요한 것이 될 것이다.
Physicists create extremely compressible "gas of light"
https://www.uni-bonn.de/en/news/053-2022
Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2543
