How big is 양자 거품?

양자 거품은 가장 작은 규모에서 공간과 시간이 갖는 구조로 제안된 개념이다. 이 규모에서 공간과 시간은 매끄럽지 않고 출렁이며 요동칠 것이라고 본다. 양자 거품은 한 번도 직접 관측된 적이 없으므로, 위에 표시된 9.3 × 10⁻³⁶미터는 측정값이 아니다. 이 수는 9.3을 1 뒤에 0이 36개 붙은 수로 나눈 값이다. 물리학자들은 양자 거품이 존재한다면 대략 플랑크 길이(1.6 × 10⁻³⁵미터) 규모에서 나타날 것으로 예상한다. 이 길이는 표시된 값의 약 1.7배이다.

크기

시공간은 공간의 3차원과 시간을 합친 것이다. 측정할 수 있는 모든 규모에서 시공간은 매끄럽게 보인다. 그러나 원자와 입자를 설명하는 이론인 양자역학의 일부는, 훨씬 더 작은 규모에서는 시공간이 매끄럽게 유지되지 않을 것이라고 예측한다. 아주 작은 영역들이 계속 변하고, 공간과 시간이 확정된 값을 갖지 못하게 될 것이라고 한다.

이런 거품에는 측정할 만한 가장자리가 없다. 그래서 이론이 알려 주는 것은 크기가 아니라 규모, 곧 거품이 모습을 드러낼 거리이다. NASA는 이 규모를 수소 원자핵 지름의 1억 조분의 1(10²⁰분의 1) 정도로 본다. 이를 계산하면 대략 플랑크 길이가 된다. 플랑크 길이는 중력의 양자 효과가 중요해질 것으로 예상되는 규모이다. 정확한 규모는 이론에 따라 달라지며, 중력과 양자역학을 하나로 묶은 검증된 이론은 아직 없다.

크기 비교

양자 거품의 예상 규모는 플랑크 길이와 거의 같다. 플랑크 길이는 이 사이트에서 한 단계 더 큰 대상이다.
지름이 약 1.7펨토미터인 양성자는 지름이 양자 거품의 예상 규모의 약 1억 조(10²⁰)배이다. 1펨토미터는 10⁻¹⁵미터이다.
양자 거품의 규모를 사람 머리카락의 굵기(약 0.1밀리미터)로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 1광년일 것이다. 광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리이다.
아래에서 설명하는 2015년 시험에서 찬드라가 관측한 퀘이사들은 약 120억 광년 떨어져 있다. 이 거리는 양자 거품의 예상 규모의 약 7 × 10⁶⁰배이며, 그렇기 때문에 아주 작은 효과가 도중에 쌓일 수도 있다.

개념의 유래

양자 거품이라는 개념과 이름은 프린스턴 대학교의 물리학자 존 휠러가 처음 생각해 냈다. 양자역학은 이미 입자가 잠깐 나타났다 사라질 수 있다고 예측하고 있었다. 휠러는 그보다 더 나아가, 시공간 자체가 일그러진 모양들이 뒤섞인 거품처럼 휘저어지는 모습을 떠올렸다. 휠러는 “블랙홀”이라는 용어를 널리 알린 사람이기도 하다.

양자 거품 검증

거품은 직접 보기에는 너무나 작아서, 천문학자들은 빛에 미치는 영향을 찾는다. 시공간이 거품 같다면 빛이 이동하는 거리가 아주 조금씩 흔들릴 것이다. 일부 모델에서는 이 흔들림이 수십억 광년에 걸쳐 쌓여, 먼 천체가 흐려져 보이지 않게 된다.

2015년 플로리다 공과대학교의 에릭 펄먼이 이끄는 연구진이 퀘이사로 이를 시험했다. 퀘이사는 물질이 거대 블랙홀로 떨어지면서 에너지를 내는 매우 밝은 천체이다. NASA의 찬드라 X선 관측선, NASA의 페르미 감마선 우주 망원경, VERITAS 망원경으로 관측했을 때에도 먼 퀘이사는 여전히 또렷하게 검출되었다. 연구진은 이 결과가 홀로그래픽 거품을 포함한 두 가지 거품 모델을 배제한다고 결론지었다.

이 문제는 아직 결론이 나지 않았다. 2026년의 학회 논문에서 에릭 스타인브링과, 2015년 논문의 저자 중 한 명인 잭 응은 홀로그래픽 거품이 극도로 밝은 감마선 폭발의 측정된 위치가 흩어진 정도와 결국 들어맞는다고 주장했다. 이들은 이를 자료를 해석하는 한 가지 방식으로 제시한다. 거품의 효과가 먼 거리에서 쌓일 수 있는지를 두고는 20년이 넘게 논쟁이 이어져 왔다.