시간이 거꾸로 흐른다면? 믿기 힘들겠지만, 토론토대학교 연구진이 '음의 시간(Negative Time)'이라는 비현실적인 개념을 실험으로 증명해냈다는 연구 결과를 발표했다. 양자역학의 세계는 우리의 상식을 뛰어넘는 놀라움으로 가득한데, 이번 발견은 그 정점을 찍는 듯하다. 마치 빛이 시간을 거슬러 움직이는 듯한 기이한 현상을 보인다는데⋯. 과연 '음의 시간'이란 무엇이고, 이 발견이 우리가 알고 있던 시간과 우주에 대한 이해를 어떻게 바꿀까?

빛, 시간을 거슬러 나타난다?

과학자들은 오래전부터 빛이 물질에 들어가기 전에 나오는 것처럼 보이는 현상을 관찰해왔다. 마치 터널에 들어가기도 전에 터널을 빠져나오는 것처럼 말이다. 이는 일반적으로 물질이 빛의 파동을 왜곡시키면서 발생하는 착시 현상으로 여겨졌다. 그러나 최근 토론토대학교 연구팀은 이 현상이 단순한 착시가 아니라 실제 물리적 현상일 수 있음을 시사하는 연구 결과를 발표했다. 해당 내용에 대해서는 사어언스 얼럿, IFL사이언스, 아랍뉴스 등 다수 외신이 다루었다.

이 연구를 이끈 에이프라임 스타인버그 교수는 "우리 같은 물리학자들끼리도 '음의 시간'은 말하기 어려운 주제다. 자주 오해를 받는다"고 말했다. '음의 시간'이라는 개념은 매우 생소하고, 심지어 물리학자들 사이에서도 논란이 되는 복잡한 주제이기 때문이다.

'음의 시간'의 비밀을 밝히다

스타인버그 교수 연구팀은 레이저를 이용해 빛과 원자의 상호작용을 정밀하게 분석했다. 빛의 기본 입자인 광자(phptons)가 원자를 통과할 때, 일부 광자는 원자에 흡수되었다가 다시 방출된다. 이 과정에서 원자는 일시적으로 에너지가 높아진 '들뜬 상태'가 된다. 연구팀은 이때 원자가 얼마나 오랫동안 들뜬 상태에 머무는지 측정하는 실험을 진행했다.

놀랍게도 실험 결과는 예상 밖이었다. 연구팀은 전선과 알루미늄으로 감싼 장치로 가득 찬 지하실 실험실에서 수행된 실험은 최적화 하는 데 2년이 넘게 걸렸으며, 사용된 레이저는 결과를 왜곡하지 않도록 주의 깊게 교정했다고 전했다. 

이 실험을 주도한 다니엘라 앙굴로 연구원은 "원자의 들뜬 상태 지속 시간을 측정했는데, 그 시간이 음수로 나타났다"고 밝혔다. 즉, 원자가 들뜬 상태에 머무는 시간이 0보다 적게 측정된 것이다. 이는 마치 원자가 광자를 방출하기 전에 흡수하는 것처럼 보이는, 시간의 순서가 뒤바뀐 현상을 의미한다.  

자동차가 터널에 들어가기 전에 나온다고?

이해를 돕기 위해 터널을 통과하는 자동차를 예로 들어보자, 만약 1000대의 자동차가 터널에 진입하는 평균 시간이 정오라고 할 때, 측정 결과 첫 번째 자동차가 터널을 빠져나가는 시간이 오전 11시 59분으로 기록됐다고 가정해보자. 이는 마치 자동차가 터널에 들어가기도 전에 터널을 빠져나온 것처럼 보이는 상황으로, '음의 시간' 개념에 비유할 수 있다.

물론, 실제로 자동차가 시간을 거슬러 터널을 빠져나올 수는 없다. 마찬가지로, 양자역학에서 관측된 '음의 시간' 현상 또한 우리가 일상적으로 경험하는 시간의 흐름과는 다르게 해석해야 한다.

'음의 시간'은 시간 여행을 의미하는가?

그렇다면 이번 연구 결과는 시간 여행이 가능하다는 것을 의미하는 것일까? 스타인버그 교수는 "우리는 무언가가 과거로 이동했다고 말하고 싶지는 않다. 그건 오해다"고 강조했다. 즉, 이번 연구 결과가 시;간 여행의 가능성을 시사하는 것은 아니다.

양자역학에서는 입자들이 고정된 시간선을 따라 움직이는 것이 아니라 확률적으로 존재하며, 다양한 시간대에 걸쳐 상호작용할 수 있다. 이러한 현상은 우리의 일상적인 직관과는 매우 다르지만, 아인슈타인의 특수 상대성이론과 같은 기존 물리학 법칙과 충돌하는 것은 아니다. 특수 상대성 이론은 어떤 것도 빛보다 빠르게 이동할 수 없다고 규정하는 데, 연구팀은 이번 실험에서 광자가 정보를 전달하지 않았기 때문에 우주의 속도 제한을 위반하지 않았다고 설명했다.

과학계의 뜨거운 논쟁, 그리고 새로운 가능성

'음의 시간'이라는 개념은 과학계에서 뜨거운 논쟁을 불러일으켰다. 독일의 이론 물리학자 사빈 호센펠더는 유튜브에서 이 연구에 대해 비판적인 의견을 제시했다. 그는 "이 실험에서 음의 시간은 시간의 흐름과는 무관하다. 이는 단지 광자가 매질을 통과하는 방식과 위상이 변화하는 과정을 설명하는 방법일 뿐이다"고 주장했다.

하지만 앙굴로와 스타인버그는 이에 대해 반박하며, 이번 연구가 빛의 속도가 항상 일정하지 않고 매질에 따라 달라질 수 있는 이유를 설명하는 데 중요한 단서를 제공한다고 강조했다.

'음의 시간'에 대한 해석과 그 의미는 여전히 과학게에서 논쟁중이지만, 이번 연구는 양자 역학의 세계를 더 깊이 이해하는 데 중요한 발검음이 될 것이다. 비록 아직은 낯설고 어려운 개념이지만, '음의 시간'은 우주에 대한 우리의 이해를 넓히고 시간과 공간에 대한 근본적인 질문을 던지며 과학적 탐구의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.