미지의 존재 ‘제5의 힘’이란 무엇인가?(1/2)

미지의 존재 ‘제5의 힘’이란 무엇인가?(1/2)

==별의 냉각 정도로 탐색하는 연구, 국제 연구팀 발표
사상 최고 정밀도의 범위 좁히기에 성공==

 

 

우주에는 ‘강한 상호작용(강한 힘)’, ‘전자기 상호작용(전자기력)’, ‘약한 상호작용(약한 힘)’, ‘중력 상호작용(중력)’이라는 네 가지 기본적인 힘, 즉 ‘기본 상호작용’이 존재한다. 그러나 이들 외에, 아직 알려지지 않은 힘인 ‘제5의 힘(Fifth force)’이 존재한다고 예측하는 이론도 있다.

 

제5의 힘은 일반상대성이론과 양자역학을 통합하려는 이론이나, 중력 상호작용이 극도로 약한 이유를 설명하는 이론에서 등장한다. 하지만 지금까지 제5의 힘의 존재를 입증하는 관측 결과는 얻어지지 않았다.

 

독일의 연구기관인 ‘독일 전자 싱크로트론(DESY)’ 소속 다미아노 F. G. 피오릴로(Damiano F. G. Fiorillo) 연구원을 비롯한 연구팀은, 우주에 존재하는 고밀도 천체인 ‘중성자별’의 온도를 측정하고, 이론적으로 예측되는 온도와의 차이를 통해 제5의 힘의 성질을 탐색했다. 그 결과 제5의 힘을 직접 발견하지는 못했지만, 천체를 이용한 연구로서는 전례 없는 정밀도로 제5의 힘의 성질을 제한하는 데 성공했다.

이번 연구 결과는 제5의 힘을 탐색하는 데 있어 천체 관측이 적합하다는 점을 보여준다. 그렇다면 과연 어떤 연구였는지 살펴보자.

 

중력의 수수께끼와 관련된 미지의 힘은 존재하는가?

 

연구를 소개하기에 앞서, 제5의 힘과 깊은 관련이 있는 중력 상호작용에 대해 설명한다. 앞서 언급한 네 가지 기본 상호작용 가운데 중력은 가장 익숙한 힘이지만, 현대 물리학에서는 가장 많은 수수께끼를 안고 있는 힘이기도 하다. 원자보다 더 작은 미시 세계를 기술하는 양자역학에 중력을 포함시키려 해도, 그 성질이 특이해 제대로 결합되지 않는다.

 

SF의 맥락에서는 중력 상호작용을 매개하는 소립자로 ‘중력자’가 언급되기도 하지만, 이는 소립자의 기본 이론인 ‘표준모형’에는 등장하지 않으며, 발견은커녕 실제로 존재하는지조차 현재로서는 알 수 없다.

중력 상호작용은 다른 세 가지 기본 상호작용에 비해 수십 자릿수나 약한 힘이며, 현재의 양자역학에서는 사실상 존재하지 않는 것으로 취급된다. 이 때문에 블랙홀의 중심부나 우주 탄생 직후와 같이 중력을 무시할 수 없는 미시적 스케일의 현상을 제대로 설명하지 못하고 있다.

 

더 근본적으로는, 다른 세 가지 기본 상호작용과 비교했을 때 중력이 극단적으로 약하다는 사실 자체가 큰 수수께끼다. 다른 세 힘 사이의 차이가 기껏해야 6자릿수 정도임을 감안하면, 수십 자릿수나 약한 중력은 지나치게 약하다. 이런 차이가 생기는 이유 역시 현재로서는 거의 밝혀지지 않았다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 이론이 제안되고 있으며, 그 가운데에는 알려진 네 가지 기본 상호작용 어느 쪽에도 속하지 않는 미지의 상호작용이 등장한다. 다섯 번째 힘이라는 의미에서 그대로 ‘제5의 힘’이라는 가칭이 붙었다.

 

제5의 힘의 성질은 이론에 따라 다양하며, ‘딜라톤(Dilaton)’처럼 고유한 이름이 붙은 경우도 있다. 다만 대부분의 경우, 제5의 힘은 중력보다도 더 약하고, 중력과는 반대 방향의 반발력이라고 가정된다.

또한 중력과 전자기력은 무한한 거리까지 작용하는 반면, 강한 힘과 약한 힘은 원자핵보다 작은 거리에서만 작용한다. 제5의 힘은 이 중간에 해당하는, 수 미터에서 수 킬로미터 범위 내에서 작용하는 힘으로 여겨진다.

 

만약 제5의 힘이 존재한다면, 중력을 어느 정도 상쇄하게 되어 ‘중력은 거리의 제곱에 반비례해 약해진다’는 역제곱 법칙이 성립하지 않게 될 것이다.

이 때문에 중력 상호작용을 정밀하게 측정해 제5의 힘을 찾으려는 시도가 이루어져 왔지만, 지금까지는 성공하지 못했다. 중력의 역제곱 법칙은 박테리아 크기 수준인 1마이크로미터(μm)까지는 엄밀히 성립함이 검증되어 있다. 이보다 더 짧은 거리에서 중력의 세기를 검증하는 것은 기술적으로 매우 어려워, 당분간은 실현되기 힘들 것으로 보인다.

 

출처=https://www.itmedia.co.jp› news › articles › news013