완전히 새로운 물질인 ‘시간 결정’이라는 것이 처음으로 실험으로 확인되었다. 일본 대학의 공동연구에서 시간결정의 ‘실온관측’에 성공했다는 것이다. ‘결정화 된 시간’이란 도대체 무엇이길래 이리도 소란을 떠는 것일까? 조금 전문적인 이야기가 될 수 있겠지만, 대충 알아 보기로 하자.
*물리학에서의 ‘대칭성’은 뭐지?
일단 물리학에서 말하는 대칭성이 무엇일까? 이 특수한 물리적 사고방식을 이해하지 못하면, 물리학에서 말하는 ‘결정(crystal)’의 의미도 이해 할 수 없다. 물리학에서의 ‘무슨 무슨 대칭성’이란 것은 ‘어떤 어떤 상태가 변하더라도 물리법칙은 변하지 않는다’는 의미를 가진다. 이것에는 ‘공간 대칭성’과 ‘시간 대칭성’이 있는데, 우선은 더 쉬운 공간 대칭성을 알아보자. 예를 들어, 초원에 서서 사과를 떨어트린다고 해보자. 이 때에, 그대로 서서 사과를 떨어트리는 것과, 한발 앞으로 나아가 떨어트리는 것에는 낙하 방향이 바뀌지 않는다.
장소에 따라 법칙이 바뀌지 않을 때, 물리에서는 ‘공간 대칭성’이 있다고 말한다. 즉, 물리법칙에 대칭성이 있다는 말은, 평등하고 불변적인 규칙이 존재한다는 뜻을 가진다. 하지만, 공간적인 대칭이 있더라도 어째서인지 최종적으로 물질의 분포에 ‘흐트러짐’이 발생하는 일이 생기곤 한다. 이것을 ‘공간 대칭성의 깨짐’라고 한다.
*대칭성의 깨짐과 결정
예를 들어, 얼음 결정은 공간대칭성이 있는 조건하에서도 만들 수 있지만, 결과는 분자가 있는 부분과 없는 부분으로 확실하게 갈린다. 모든 장소에 균일하게 원자가 존재하지 않는 것이 아닌 상태다. 물리법칙이 모든 공간에서 같더라도 최종적인 사물의 분포가 균일하게 이루어 진다고 할 수 는 없다. 다시 말하지만 이런 분포의 흐트러짐을 ‘대칭성의 깨짐’이라 한다.
이 사고방식을 확장해서, 분포의 대칭성을 깨트리는 흐트러짐을 일으키는 물체를 물리에서는 모두 ‘결정’이라 부른다.
즉, ‘시간결정’에서 말하는 ‘결정’이란, 이 의미로의 결정을 말하고 ‘시간에 대한 대칭성을 파괴하는 물질’이라는 것을 가리킨다.
*시간결정이란 시간적인 흐트러짐을 일으키는 물질?
그러면, 물리법칙이 시간에 대해서 대칭성을 가진다는 ‘시간 대칭성’이란 무슨 말일까?
그것은 어제 있던 물리법칙이 오늘도 변하지 않는 것 처럼, 어느 때라도 물체가 같은 수식에 따른다는 것이다.
그렇다면 시간결정이란 그것을 깨트리는 물체, 시간적으로 흐트러짐을 일으키는 물체기 될 것이다. 이게 무슨 소릴까?
‘시간 대칭성이 있으면서도 끊임없이 진동하는 물질’이라는 것이다. 하지만 이런 물질 형태는 존재하지 않는다는 것이 결론이었다. 하지만 그 증명에서는 시간의 ‘이산 대칭성(discrete symmetry)’을 깨트리는 결정에 대해서는 반론하지 않았다.
(이산 대칭(discrete symmetry)은 물리학에서 시스템이 특정 변환에 대해 불변성을 가지는 것을 의미합니다. 이러한 대칭은 시스템이 특정 연산(변환)을 거쳐 자신을 동일하게 보존하는 성질을 가집니다.
이산 대칭은 연속 대칭(continuous symmetry)과 대조됩니다. 연속 대칭은 시스템이 연속적인 변환에 대해 불변성을 가지는 것을 의미하며, 예를 들어 공간의 회전이나 이동 등이 있습니다. 반면에 이산 대칭은 시스템이 이산적인 변환에 대해 불변성을 가지는 것을 의미하며, 예를 들어 시스템이 원래 상태로 돌아오는 것을 둘째나 셋째 등의 반복적인 이동으로 보존되는 경우가 있습니다.
이산 대칭은 물리학에서 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 자연상수와 같은 물리량의 보존, 입자의 특성, 물리적 법칙의 형성 등에 이러한 대칭이 중요한 역할을 합니다. 또한, 이산 대칭은 양자역학, 입자 물리학, 고체 물리학 등 다양한 분야에서 연구되고 있으며, 이러한 대칭을 통해 물리적 현상을 이해하고 예측하는 데 도움이 됩니다.)
*시간 결정이 진짜로 있니?
1초마다 같은 힘이 걸리도록 좌우로 주기적으로 흔들리게 했다고 쳐 보자. 이 때에, 정확히 1초 시간을 앞당기면 물체는 같은 물리법칙에 따른다는 것을 알 수 있다. 이처럼 장소와 시간을 점프시켜서 물리법칙이 같아지는 대칭성을 ‘이산대칭성’이라고 한다. (또는 시간 역전 대칭이라고도 한다.)
그런데, 1초 주기로 물체를 흔들리게 했음에도, 1초 후의 물체의 상태가 1초 전의 상태와 달라지는 현상이 확인되었다는 것이 요번에 나온 시간 결정의 발견인 것이다. 결론적으로 ‘시간결정’은 ‘이산 대칭성을 깨트리는 물질’이다.
연구자가 말하는 시간결정은 ‘우리들의 일상 세계에서 젤리나 그네를 어떤 주기로 흔들면, 보통은 그 주기로만 흔들리는데, 이것은 더 빨라지거나 느려지거나 하는 이상한 움직임을 보이는 현상이 일어나는 것’이라고 한다. 이런 것들이 실제로 일어나고 있고 한다.