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4차원 시공간 물질의 특징은 ‘타임 크리스탈’

기사승인 2017.02.25  07:18:47

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우주에는 각양각색의 물질구조와 형태가 존재한다.(Flickr)

최근 한 연구진이 4차원 시공간 물질을 밝혀내는 데 성공했다. 이 물질의 구조는 시간에 따라 스스로 변화하는 것으로 파악됐다. 이번 연구는 과학으로 인지 가능한 물질보다 훨씬 많은 물질이 우주에 존재한다는 사실을 시사했다.

과학자들은 시간에 따라 구조가 변하는 4차원 시공간 물질을 ‘타임 크리스탈(time crystals)’이라고 부른다.

호주 과학 기술 웹사이트 ‘사이언스 얼렛(Science Alert)’은 ‘타임 크리스탈’이라는 개념이 다소 추상적이지만 물리학의 새 지평을 열었다고 평가했다. 지난 수십 년간 물리학계는 3차원 공간의 ‘공간평행이동 대칭성’보다 우주에 ‘비평형상태의 물질(non-equilibrium matter)’이 존재하는지에 대한 연구에 주력해왔다.

이러한 맥락에서 ‘타임 크리스털’은 ‘비평형상태의 물질’로 물리학의 기본 이론인 ‘공간 평행이동의 대칭성’을 준수하지 않기 때문이다.

미국 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스 연구진인 ‘노르만 야오(Norman Yao)’는 전통적인 의미에서 3차원 공간으로 이루어진 크리스탈이 우주에서는 그저 빙산의 일각에 불과하다고 말했다.

크리스탈은 값비싼 보석과 반짝이는 수정, 섬세한 눈 결정체를 연상시킨다. 즉 원자 혹은 분자가 3차원 공간에서 일정한 규칙에 따라 주기적으로 반복 배열된 것이다. 하지만 이는 수많은 우주의 물질 형태 중 일부일 뿐이다.

우주에는 수많은 시공이 존재하지만 우리의 육안으로 확인할 수 있는 시공은 단지 3차원 뿐이다. (pixabay)

아인슈타인은 인간이 4차원 공간에 살고 있다고 말한 바 있다. 이는 감각이 가능한 3차원과 ‘시간’이라고 부르는 4차원 개념에 따른 것이다. 그러므로 크리스탈 구조의 변화는 단지 3차원 공간에서만 가능할 뿐 ‘시간’의 차원에서는 일어나지 않는다.

이와 달리 ‘타임 크리스탈’은 시간의 변화에 따라 원자 구조가 변한다. 2012년 노벨상 수상자인 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)이 처음 제기한 것으로 2016년 프린스턴대학교와 캘리포니아대학교 산타 바바라 캠퍼스의 이론물리학자들이 그 존재를 각각 증명했다. 그리고 현재 버클리캠퍼스 연구진이 4차원 공간의 특징을 지닌 물질을 발견한 것이다.

인디애나대학교의 물리학자 필 리쳐(Phil Richerme)는 “이러한 독특한 타임 크리스탈에서 관찰한 대칭성 깨짐(symmetry breaking)은 기본적으로 모든 자연 영역에서 발생할 수 있으며 새로운 연구 분야를 만들어냈다”고 평가했다.

이 연구 보고서는 최근 발간된 미국물리학회지 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’에 실렸다.

 

장빙카이(張秉開) 기자

<저작권자 © 대기원시보 무단전재 및 재배포금지>
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