우리는 아직 “Big G”에 대한 더 정확한 값을 가지고 있지 않다
Source: Ars Technica
“Such experiments bring order to the universe, whether or not the number agrees with the expected value.”
크레딧: R. Eskalis/NIST
중력 상수는 애정 어린 별명 “빅 G” 로 알려져 있으며, 우리 우주의 가장 근본적인 상수 중 하나입니다. 이 값은 일정한 거리를 두고 있는 두 질량 사이에 작용하는 중력의 강도를 설명합니다—또는 상대론적 관점에서 보면, 주어진 질량이 시공간을 얼마나 굽히는지를 나타냅니다.
물리학자들은 빅 G의 대략적인 값을 잘 알고 있지만, 2세기 넘게 더 정밀하게 측정하려고 노력해 왔습니다. 각 실험은 약간씩 다른 값을 내놓으며, 그 차이는 대략 1만분의 1 정도입니다.
다른 기본 상수들은 훨씬 더 정밀하게 알려져 있기 때문에, 빅 G는 가족 중 흑양과 같은 존재이며 정밀 계측학자들에게는 큰 좌절의 원인입니다. 중력은 네 가지 기본 힘 중 가장 약하고, 지구의 지속적인 배경장(“리틀 g”)이 실험실 환경에서는 특히 큰 잡음을 유발합니다.
최신 NIST 시도
불일치를 해결하기 위한 가장 최근 시도에서, National Institute of Standards and Technology (NIST) 과학자들은 가장 크게 차이가 난 최근 실험 결과 중 하나를 재현하는 데 10년을 보냈습니다. 그들의 연구 결과는 Metrologia에 게재된 논문에서 발표되었으며, article를 참고하십시오.
새로운 측정값이 오래 지속된 논쟁을 해결하지는 않지만, 물리학자들이 보다 정확한 Big G 값을 규명하려는 노력에 또 다른 데이터 포인트를 제공합니다.
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간략한 역사
- 아이작 뉴턴은 17세기 후반에 만유인력 법칙을 발표하면서 중력 상수 개념을 도입했습니다. “빅 G”라는 표기는 1890년대에야 등장했습니다. 뉴턴은 큰 언덕 근처에서 진자를 흔들어 중력을 측정하는 것을 상상했지만, 효과가 너무 작아 감지할 수 없다고 판단해 실험을 시도하지 않았습니다.
- 1774년에 왕립학회는 빅 G의 간접 측정인 지구 밀도를 결정하기 위해 뉴턴의 진자 아이디어를 변형한 위원회를 구성했습니다.
1798년에 헨리 캐번디시가 비틀림 저울을 이용해 두 물체 사이의 중력 인력을 직접 실험실에서 최초로 측정했습니다. 그의 장치는 다음과 같이 구성되었습니다:
- 6피트 길이의 나무 막대에 2인치 납 구슬 두 개가 달린 작은 덤벨을 중앙 와이어에 매달아 회전할 수 있게 한 것.
- 12인치, 350파운드 무게의 납 구슬 두 개가 달린 큰 덤벨을 작은 구슬 근처에 두면, 매달린 막대가 비틀리게 만드는 구조.
캐번디시는 결과적인 진동을 꼼꼼히 기록하여 지구의 밀도를 추정했습니다. 그의 비틀림 저울 설계는 이후 물리학자들이 빅 G를 더욱 정밀하게 측정하기 위해 널리 사용하는 기본 도구가 되었습니다.
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Cavendish 실험 업데이트
점점 더 정밀한 실험을 개발하는 것이 오랫동안 불일치를 해소하기 위한 주요 전략이었습니다. 최신 논문의 저자들은 단순히 데이터셋에 측정을 추가하는 것만으로는 충분하지 않다는 것을 깨달았습니다. 이전의 일관되지 않은 결과가 여전히 지배적이기 때문이죠. 그래서 그들은 가장 큰 이상치 중 하나—특히 프랑스 국제도량형국(BIPM) 물리학자들이 2007년에 수행한, Cavendish의 비틀림 저울 장치를 훨씬 더 정교하게 만든 실험—을 자세히 살펴보자는 아이디어를 떠올렸습니다.
NIST 팀은 원래 BIPM 실험을 재현했으며, 회전하는 회전판에 네 개의 금속 실린더와 회전판 내부에 네 개의 작은 질량을 배치하고, 얇은 구리‑베릴륨 리본으로 매달린 디스크 위에 올려 비틀림 저울을 만들었습니다. 외부 질량이 내부 질량을 끌어당기면 비틀림 저울과 리본이 비틀리고, 물리학자들은 실린더의 회전과 그에 따른 중력 토크를 추적하여 G를 측정했습니다.
그들은 또한 내부 질량 옆에 전극에 전압을 가하는 두 번째 측정 세트를 수행했습니다. 이 전압은 중력 토크와 반대 방향으로 와이어를 비틀었으며, 전압 크기는 G에 대한 또 다른 추정치를 제공했습니다.
NIST 과학자들은 한 가지 추가적인 변화를 주었습니다: 구리 질량을 사용한 실험과 사파이어 질량을 사용한 실험 두 가지 버전을 실행했으며, 두 경우 모두 거의 동일한 값을 얻었습니다. 이는 사용된 특정 재료가 측정에 영향을 미쳤을 가능성을 배제합니다. 모든 과정을 마친 뒤, 그들은 다음과 같은 값을 보고했습니다.
[ G = 6.67387 \times 10^{-11}\ \text{m}^3\ \text{kg}^{-1}\ \text{s}^{-2}, ]
이는 원래 BIPM 결과보다 0.0235 % 낮은 값입니다.
왜 계속해서 G를 측정할까?
일부 사람들은 물리학자들이 왜 중력 상수를 점점 더 높은 정밀도로 측정하려는지 의문을 가질 수 있습니다. 한 가지 이점은 미세한 힘, 토크 및 기타 미묘한 효과를 측정하기 위한 더 나은 도구 개발을 촉진한다는 점이며, 이러한 발전은 과학 전반에 혜택을 줍니다.
“모든 측정은 중요합니다. 진실이 중요하기 때문이죠.”라고 NIST 공동 저자 Stephan Schlamminger는 말했습니다. “저에게 정확한 측정은 우주에 질서를 부여하는 방법이며, 그 숫자가 기대값과 일치하든 그렇지 않든 관계없습니다.”
Metrology, 2026. DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f
저자 소개
Jennifer Ouellette는 Ars Technica의 선임 작가로, 과학이 문화와 만나는 지점에 특히 초점을 맞추며 물리학 및 관련 학제 간 주제부터 좋아하는 영화와 TV 시리즈까지 다양한 분야를 다룹니다. 그녀는 남편인 물리학자 Sean M. Carroll와 두 마리 고양이 Ariel, Caliban과 함께 볼티모어에 거주하고 있습니다.