너무 빨라서 거꾸로 가는 빛

지난 수 년 동안, 과학자들은 빛을 보통의 속도 한계보다 더 빠르게, 그리고 더 느리게 만드는 방법을 찾아왔지만, 이번에는 로체스터 대학교(University of Rochester) 연구진이 한 단계 더 나아갔다. 빛을 거꾸로 향하게 한 것이다. 마치 상식에 대한 반항처럼, 거꾸로 움직이는 빛 펄스는 빛보다 더 빠르게 진행한다. 혼동스러운가? 당신만이 아니다.

“나는 일단의 세계 전문가들로 하여금 이 문제로 자신의 머리를 긁게 해왔다. 우리가 빛을 거꾸로 보낼 수 있을 것이라고 이론적으로는 예견되었지만, 아무도 이 이론이 현실화될지, 혹은 심지어 연구실 환경에서 관찰될지는 몰랐다”고 로체스터 대학교 광학교수인 M. 파커 기븐스 교수(M. Parker Givens Professor)인 로버트 보이드(Robert Boyd)는 말했다.

보이드는 최근 색다른 기술과 물질을 이용하여 그가 어떻게 빛 펄스를 비행기보다 느리게 할 수 있는지, 혹은 그 목이 부러질 정도의 무서운 속도보다 더 빠르게 할 수 있는지를 보였다. 그러나 그는 이제 단지 수학적 기이함이었을 뿐이었던 음의 속도를 달성했으며, 실제 세계에서 작용함을 입증했다.

“이건 불가사의하다. 우리는 광섬유를 통해 펄스를 보냈고, 그 피크가 광섬유로 다 들어가기도 전에, 다른 쪽 끝으로 나오고 있었다. 실험을 통해 우리는 광섬유 내에서의 펄스가 실제로는 거꾸로 움직이고 있어서, 입력 펄스와 출력 펄스가 연결되는 것을 확인할 수 있었다”고 보이드는 말했다.

▶아인슈타인의 이론을 시험하기
“아인슈타인은 정보가 빛보다 더 빨리 진행할 수 없다고 말했으며, 이런 경우 모든 빠른 빛 실험에서처럼 어떠한 정보도 진정으로 빛보다 더 빨리 움직이지 못한다. 빛 펄스는 피크 및 기다란 선두와 꼬리를 가진 둥근 언덕처럼 생겼다. 선두는 그 펄스에 관한 모든 정보를 운반하며 광섬유로 먼저 들어간다. 피크가 광섬유로 들어갈 때 쯤, 선두는 이미 훨씬 더 나아가, 광섬유를 빠져 나오고 있다. 선두에서의 정보로부터, 광섬유는 본질적으로 멀리에 있는 끝단에서 그 펄스를 ‘재구성’하며, 한 펄스는 광섬유 밖으로 내보내며 다른 펄스는 그 광섬유의 시작부분으로 거꾸로 보낸다”고 보이드는 말했다.

보이드는 선두가 없는 펄스를 설계할 수 있다면 무슨 일이 일어날지를 확인하는 방법에 관해 이미 연구하고 있다. 아인슈타인은 빛보다 빠르고 거꾸로 가는 빛 현상이 사라질 것이라고 말했다. 보이드는 아인슈타인을 시험하고 싶어 한다.

▶어떻게 빛이 거꾸로 가는가?
보이드는 로체스터 대학원생인 조지 M. 게링(George M. Gehring)과 아론 슈바인스베르크(Aaron Schweinsberg) 및 맨하탄 대학교(Manhattan College)의 학부생인 크리스토퍼 바르시(Christopher Barsi)와 미시건 대학교(University of Michigan)의 나탈리 코스틴스키(Natalie Kostinski)와 함께 에르븀 원소가 첨가된 광섬유를 통해 돌발성 레이저 광을 보냈다. 펄스가 레이저에서 빠져 나올 때, 둘로 나뉘어진다. 한 펄스는 에르븀 광섬유로 들어갔고 두 번째 펄스는 기준 광으로서 교란없이 나아갔다. 피크가 광섬유 전면부로 다 들어가기도 전에 펄스의 피크는 광섬유의 다른 쪽 끝에서 나왔으며, 기준 펄스의 피크보다 훨씬 더 앞섰다.

그러나 펄스가 정말로 광섬유 내에서 거꾸로 진행하고 있었는지를 알아내기 위해, 보이드와 학생들은 광섬유를 매 수 인치마다 잘라 매 잘려진 광섬유 구간에서 나올 때마다 펄스 피크를 재측정 해야 했다. 그 데이터를 정리하여 시간 순서에서 거꾸로 실행함으로써, 보이드는 빛 펄스가 광섬유 내에서 거꾸로 움직이고 있었음을 최초로 묘사할 수 있었다.

▶광속 : 유령의 집 효과
어떻게 빛의 속도가 조작될 수 있는지를 이해하기 위해, 여러분을 뚱둥하게 보이도록 만드는 유령의 집 거울을 생각해보자. 여러분이 거울 곁을 걸을 때는 정상으로 보이지만, 중앙에 있는 구부러진 부분을 지날 때면 반사된 여러분의 영상이 늘어져서, 그 먼 끝부분이 잠시 동안 여러분(기준 보행자)보다 앞으로 나아가는 것처럼 보인다. 동일한 방식으로, 특수한 물질을 통해 발사된 빛 펄스는 보통의 속도로 움직이다가 그 물질에 도달하면 늘어져서 그 물질의 다른 쪽에 도달해 빠져 나온다고 보이드는 말했다(빠른 빛 애니메이션 참조).

역으로, 만일 유령의 집 거울이 여러분을 홀쭉하게 보이도록 만들어졌다면, 여러분의 영상은 갑자기 찌부러뜨려져서 나타나는데, 여러분이 굴곡 부분을 통과할 때 영상의 선두가 느려진다. 유사하게, 빛 펄스는 물질 내에서 좁아져서 느리게 될 수 있는데, 보통의 경우보다 훨씬 더 나중에 다른 쪽을 나오게 된다(느린 빛 애니메이션 참조).

보이드의 거꾸로 가는 빛 펄스를 시각화하기 위해, 거울을 대형 스크린 TV 및 비디오 카메라로 바꾸어보자. 여러분이 전자제품 상점 진열장에 있는 디스플레이를 통과할 때 본 것처럼, 여러분이 카메라 저쪽에서 걸을 때에는, 여러분의 스크린 영상은 TV의 먼쪽에서 나타난다. 카메라를 향해 걸어, 가운데를 지나 반대쪽 방향으로 계속 나아가면 영상은 스크린의 다른쪽으로 빠져나간다.

음의 속도 빛 펄스는 매우 똑같은 방식으로 작용한다고 그는 말했다. 펄스가 물질에 들어감에 따라, 두 번째 펄스가 광섬유의 먼 끝단에 나타나고 거꾸로 흐른다. 거꾸로 된 펄스는 거꾸로 진행할 뿐만 아니라, 광섬유의 먼 끝 단으로 순방향 펄스를 배출한다. 이런 방식으로, 광섬유의 전면부로 들어가는 펄스는 거의 순간적으로 끝단에서 나타나고, 정상적인 빛의 속도보다 명백히 더 빠르게 나아간다. TV 비유를 다시 이용하기 위해(마치 여러분이 상점 진열창 옆을 걷는 것과 같다), TV 스크린의 반대쪽 끝으로부터 여러분을 향해 걷는 여러분의 영상, 그 TV 영상이 그 쪽에서 복제 영상을 만드는 것, 그리고 몇 걸음 앞에서 여러분과 같은 방향으로 걷는 그 영상을 관찰하자(거꾸로 가는 빛 애니메이션 참조).

“이 모든 것이 이상하게 들린다는 것을 알고 있지만, 이것이 세상이 돌아가는 방식”이라고 보이드는 말했다. 보이드와 연구팀의 연구를 설명하는 논문이 오늘 사이언스에 발표되었다. 자세한 정보는 www.rochester.edu/news를 방문하라.

* 빠른 빛 애니메이션 : http://www.rochester.edu/news/photos/fast_light.mpg
* 느린 빛 애니메이션 : http://www.rochester.edu/news/photos/slow_light.mpg
* 거꾸로 가는 빛 애니메이션 : http://www.rochester.edu/news/photos/backward_light.mpg