물리학자들이 시간 자체에 아주 작은 결함을 발견했습니다.

양자 붕괴 모델은 미세한 시간 변동을 시사합니다. 이미지 출처: © FQxI/Gabriel Fitzpatrick (2026)

양자역학은 기묘하고 종종 직관에 반하는 개념들로 유명합니다. 아주 작은 규모에서 입자들은 일상적인 사물처럼 행동하지 않습니다. 오히려 여러 상태에 동시에 존재할 수 있는데, 이를 중첩이라고 합니다. 물리학자들은 이러한 행동을 파동함수라는 수학적 개념으로 설명합니다. 하지만 이러한 설명은 사물이 한 번에 하나의 확정된 위치나 상태를 차지하는 일상생활에서 관찰되는 현실과 상충됩니다. 이러한 모순을 해결하기 위해 과학자들은 일반적으로 양자 시스템을 측정하거나 관찰자와 상호작용할 때, 그 파동함수가 하나의 결과로 수렴한다고 제안합니다.

기초문제연구소(FQxI)의 지원을 받아 국제 물리학자 연구팀이 양자 붕괴 모델로 알려진 대안적 설명들을 면밀히 검토했습니다. 연구 결과는 이러한 모델들이 시간 자체의 작동 방식, 특히 시간을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지에 대한 미세한 한계를 포함하여 놀라운 결과를 가져올 수 있음을 시사합니다. 학술지 Physical Review Research 에 발표된 이번 연구는 또한 이러한 모델들을 표준 양자 이론과 비교하여 검증할 수 있는 가능성을 제시합니다.

"우리는 붕괴 모델이 중력과 연관될 수 있다는 생각을 진지하게 받아들였습니다."라고 이번 연구를 이끈 이탈리아 로마의 엔리코 페르미 박물관 및 연구 센터(CREF) 박사 과정 학생인 니콜라 보르톨로티는 말합니다. "그리고 나서 우리는 매우 구체적인 질문을 던졌습니다. 이것이 시간 자체에 어떤 의미를 갖는가?"

자발적 붕괴와 검증 가능한 양자 모델

1980년대에 연구자들은 관찰이나 측정을 필요로 하지 않고 파동함수 붕괴가 자발적으로 일어난다는 이론을 개발하기 시작했습니다. 기존의 양자역학 해석은 주로 동일한 방정식에 대한 다른 사고방식을 제시하는 데 그쳤지만, 이러한 붕괴 모델은 원칙적으로 실험적으로 검증 가능한 예측을 제시합니다.

"우리가 한 일은 붕괴 모델이 중력과 연관될 수 있다는 생각을 진지하게 받아들이는 것이었습니다. 그리고 나서 우리는 매우 구체적인 질문을 던졌습니다. 이것이 시간 자체에 대해 무엇을 의미하는가?"라고 니콜라 보르톨로티는 말합니다.

보르톨로티와 그의 동료인 카탈리나 쿠르체아누, 크리스티안 피시치아, 라요스 디오시, 시몬 만티는 이러한 모델의 두 가지 주요 버전을 조사했습니다. 하나는 중력과 파동 함수의 붕괴 사이의 연관성을 오랫동안 제시해 온 디오시-펜로즈 모델이고, 다른 하나는 연속 자발적 국소화(CSL) 모델입니다. 이번 연구에서 연구진은 두 번째 모델과 중력으로 인한 시공간의 요동 사이의 정량적 관계를 규명했습니다.

미세한 시간 불확실성과 시계 정밀도 한계

그들의 분석에 따르면, 이러한 붕괴 모델이 현실을 정확하게 설명한다면 시간 자체는 완벽하게 정확할 수 없습니다. 오히려 시간은 극히 작은 수준의 내재적 불확실성을 포함하게 될 것입니다. 이는 시계의 정확도에 근본적인 한계를 설정하게 됩니다.

"계산을 해보면 답은 명확하고 놀랍도록 안심이 됩니다."라고 보르톨로티는 말했다.

중요한 것은 이 효과가 현재 기술에 영향을 미칠 정도로 크지 않다는 점입니다. 가장 최첨단 원자 시계조차도 이를 감지할 수 없습니다. 쿠르체아누는 "불확실성은 현재 측정 가능한 어떤 값보다 훨씬 작은 자릿수이므로 일상적인 시간 측정에 실질적인 영향을 미치지 않습니다."라고 말합니다. 피시키아는 "우리의 연구 결과는 현대 시간 측정 기술이 전혀 영향을 받지 않는다는 것을 명확히 보여줍니다."라고 덧붙였습니다.

양자역학, 중력, 그리고 시간의 본질

수십 년 동안 물리학자들은 양자역학과 중력을 통합하려고 노력해 왔습니다. 각 이론은 자신의 영역 내에서는 매우 잘 작동합니다. 양자역학은 미시적 규모에서 입자의 행동을 설명하는 반면, 일반 상대성 이론은 중력이 별과 은하를 포함한 우주의 거시적 구조를 어떻게 형성하는지 설명합니다. 그러나 두 이론 체계는 시간을 다루는 방식이 매우 다릅니다.

"표준 양자역학에서는 시간을 연구 대상인 양자 시스템의 영향을 받지 않는 외부의 고전적 매개변수로 취급합니다."라고 쿠르체아누는 설명합니다. "반면, 일반 상대성 이론에서는 시간이 질량과 에너지의 영향으로 늘어나고 휘어질 수 있는 것으로 묘사합니다."

"불확실성은 현재 우리가 측정할 수 있는 어떤 값보다 훨씬 작은 규모이기 때문에 일상적인 시간 측정에는 실질적인 영향을 미치지 않습니다."라고 카탈리나 쿠르체아누는 말합니다.

양자역학이 더 심오한 이론의 일부일 수 있다는 기존의 아이디어를 바탕으로 한 이번 연구는 양자 행동, 중력, 그리고 시간의 흐름 자체 사이의 가능한 연관성을 제시합니다.

쿠르체아누는 물리학에서 틀에 얽매이지 않는 아이디어를 탐구하는 것의 중요성을 강조했습니다. "우주, 공간, 시간, 물질에 대한 이러한 근본적인 질문들을 연구하는 재단은 세계적으로 많지 않습니다."라고 쿠르체아누는 말했습니다. "우리의 연구는 양자역학에 대한 급진적인 아이디어조차도 정확한 물리적 측정으로 검증될 수 있으며, 다행히도 시간 측정은 현대 물리학의 가장 안정적인 기둥 중 하나로 남아 있음을 보여줍니다."

이 연구는 FQxI의 물리적 세계에서의 의식 프로그램의 부분적인 지원을 받았습니다. 연구팀의 연구비 지원에 대한 자세한 내용은 브렌던 포스터가 작성한 FQxI 논문 "양자적 존재는 어떤 느낌일까요?"에서 확인할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260502233918.htm