출처(영문): https://phys.org/news/2017-03-blurred-quantum-world.html

The idealized picture of space and time in general relativity assigns an ideal clock to each point in space, which tick evenly without being influenced by the nearby clocks. However, when quantum mechanical and gravitational effects are taken into account, this picture is no longer tenable, as the clocks mutually disturb each other and hands of the clocks become "fuzzy."

일반상대성이론에서 가정하는 이상적인 시공간에서는 우주의 각 지점에 이상적인 시계들이 있고, 해당 시계들이 돌아가는 속도는 항상 일정하며 근처 시계들의 영향을 받지 않는다. 하지만 양자역학적 효과와 중력 효과를 고려하면 이 가정은 유효하지 않은데, 이는 시계들이 서로에게 영향을 끼쳐 시계바늘의 위치가 불확실해지기 때문이다.

When measuring time, we normally assume that clocks do not affect space and time, and that time can be measured with infinite accuracy at nearby points in space. However, combining quantum mechanics and Einstein's theory of general relativity theoretical physicists from the University of Vienna and the Austrian Academy of Sciences have demonstrated a fundamental limitation for our ability to measure time. The more precise a given clock is, the more it "blurs" the flow of time measured by neighbouring clocks. As a consequence, the time shown by the clocks is no longer well defined.

우리는 보통 시간을 잴 때 시계가 시공간에 영향을 끼치지 않는다고 가정하며, 근처 공간의 지점에서 시간을 무한한 정확도로 측정할 수 있다고 생각한다. 하지만 비엔나대학교와 오스트리아과학원의 이론물리학자 연구진은 양자역학과 아인슈타인의 일반상대성이론을 결합하여 우리의 시간측정 능력에는 근본적인 한계가 있음을 밝혀냈다. 다시 말해 어떤 시계가 정확하면 정확할수록, 그 근처에 있는 다른 시계들은 점점 더 부정확해진다. 이 때문에 시계들이 보여주는 시간은 더 이상 잘 정의되지 않는다.

In everyday life we are used to the idea that properties of an object can be known to an arbitrary precision. However, in quantum mechanics, one of the major theories in modern physics, Heisenberg's uncertainty principle asserts a fundamental limit to the precision with which pairs of physical properties can be known, such as the energy and time of a clock.

일상생활에서 우리는 어떤 물체의 속성이 임의적 정확도로 측정될 수 있다고 여긴다. 하지만 양자물리학, 특히 현대물리학의 핵심 이론들 중 하나인 하이젠베르그의 불확정성 원리에서는 한 쌍의 물리적 속성(예를 들어 시계의 에너지와 시간)을 정확하게 측정하는데 근본적인 한계가 있다고 명시한다.

The more precise the clock is, the larger is the uncertainty in its energy. An arbitrarily precise clock would therefore have an unbounded uncertainty in its energy. This becomes important when including Einstein's theory of general relativity, the other key theory in physics, into the picture. General relativity predicts that the flow of time is altered by the presence of masses or sources of energy. This effect, known as "gravitational time dilation", causes time to run slower near an object of large energy, as compared to the situation in which the object has a smaller energy.

시계가 정확하면 정확할수록 시계의 에너지가 가지는 불확실성은 커진다. 따라서 임의의 정확도를 가지는 시계는 그 에너지의 불확실성에 제한이 없다. 이는 아인슈타인의 일반상대성이론을 포함시키는 과정에서 매우 중요한 역할을 한다. 일반상대성이론에 따르면 시간의 흐름은 질량 또는 에너지원의 존재 여부에 따라 변한다. 중력시간지연이라 불리는 이 효과로 큰 에너지를 가지는 물체 주변의 시간은 작은 에너지를 가지는 물체 주변의 시간보다 상대적으로 느리게 흐른다.

Putting the pieces together

조각을 짜맞춰 보아요

Combining these principles from quantum mechanics and general relativity, the research team headed by aslav Brukner from the University of Vienna and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information demonstrated a new effect at the interplay of the two fundamental theories.

카슬라브 브루크너가 이끄는 비엔나대학교 및 양자광학정보연구소 연구진은 하이젠베르크의 불확정성 원리와 아인슈타인의 중력시간지연 효과를 결합하여 양자역학과 일반상대성이론의 상호작용이 새로운 효과를 발생시킴을 밝혀냈다.

According to quantum mechanics, if we have a very precise clock its energy uncertainty is very large. Due to general relativity, the larger its energy uncertainty the larger the uncertainty in the flow of time in the clock's neighbourhood. Putting the pieces together, the researchers showed that clocks placed next to one another necessarily disturb each other, resulting eventually in a "blurred" flow of time.

양자역학에 따르면 우리가 매우 정확한 시계를 가지고 있는 경우 그 시계의 에너지 불확실성은 매우 크다. 그리고 일반상대성이론에 따르면 시계의 에너지 불확실성이 클 경우 그 주변에 있는 시계들의 시간 흐름은 불확실해진다. 연구진은 이 원리들을 서로 결합함으로써 '함께 있는 시계들은 반드시 서로에게 영향을 끼쳐 시간 흐름을 불확실하게 만든다'는 것을 밝혀냈다.

This limitation in our ability to measure time is universal, in the sense that it is independent of the underlying mechanism of the clocks or the material from which they are made. "Our findings suggest that we need to re-examine our ideas about the nature of time when both quantum mechanics and general relativity are taken into account", says Esteban Castro, the lead author of the publication.

따라서 우리의 시간 측정능력에는 한계가 있으며, 이는 시계의 작동방식이나 시계를 구성하는 재료와 상관없이 보편적인 성격을 가진다. "이번 발견은 양자역학과 일반상대성이론 둘 다를 고려할 시 시간에 대한 기존의 개념을 다시 고찰할 필요가 있음을 보여주고 있습니다"라고 논문의 수석저자 에스테반 카스트로가 말했다.

More information: Esteban Castro Ruiz et al. Entanglement of quantum clocks through gravity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2017). DOI: 10.1073/pnas.1616427114

참고문헌: 에스테반 카스트로 루이즈 외. 중력을 통한 양자시계들 간 얽힘, Proceedings of the National Academy of Sciences (2017). DOI: 10.1073/pnas.1616427114