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진동하는 고정밀 공동에서의 전자기 펄스 - 동적 카시미르 효과 실험의 가능한 서명

전문가 제언: ○ 고전역학에서 진공은 완전히 비어있는 것으로 인식되었지만, 양자역학에서 진공은 더 이상 비어있는 공간이 아니라 끊임없이 에너지의 요동이 있는 곳이다. 따라서 진공에서의 에너지 요동을 실험적으로 확인하는 작업은 매우 중요하다. 1948년 네덜란드의 물리학자 Hendrick Casimir는 두 개의 금속판을 진공 중에 마주보게 해 놓으면, 진공 요동으로 인하여 두 금속판이 끌어당길 것이라는 카시미르 효과를 예견하여 처음으로 진공 요동의 실험적 가능성을 제시했다.

○ 진공 요동은 정지해 있는 두 금속판 사이에서는 인력을 작용시키지만, 움직이는 물체에 대해서는 소모력을 작용시킨다. 이것을 처음의 카시미르 효과와 구분하여 동적 카시미르 효과(dynamic Casimir effect)라 한다. 진공 요동으로 인해 움직이는 물체의 소모된 에너지는 에너지 보존 에 의해 전자기 펄스로 바뀌고 광자 형태로 방출되게 된다. 따라서 이 광자를 검출하면 진공 요동의 영향을 확인할 수 있다.

○ 진공 요동으로 인한 에너지 소모는 진공에서 물체가 일정치 않은 가속도로 움직일 경우에만 일어난다. 본문에서는 그런 운동 중에서 거울의 진동 운동을 예로 들었다. 그런데 단일 거울에서는 그 소모된 에너지가 매우 작아 검출이 어렵기 때문에, 크기를 크게 하기 위해 공명 증폭이 가능하도록 두 개의 거울을 일정 간격으로 마주보게 한 공동(cavity)을 사용하여 실험한다.

○ 운동 유도 복사(motion-induced radiation)를 검출하는 실험에서 공동을 매우 빠르게 진동시켜야 하기 때문에, 공동을 진동시키는데 매우 큰 힘이 필요하게 되고, 이 큰 힘으로 인하여 실험에서 필요 없는 큰 가성 신호(spurious signal)가 나타나게 된다. 이 가성 신호와 운동 유도 복사를 구분하기 위해서는 운동 유도 복사를 확인 시켜주는 펄스 정형이나 주파수 상승과 같은 서명이 매우 중요하다.

○ 거시 세계에서는 진공 요동을 무시해도 되지만, 미시 세계에서는 그 영향이 크다. 특히 동적 카시미르 효과는 미시 세계의 운동 법칙에 많은 영향을 미치기 때문에 그 연구에 노력을 쏟는 것은 꼭 필요하다.

저자: Lambrecht, A
자료유형: 학술정보