2026년 물리학계가 다시 한 번 ‘중력 상수(Big G)’의 미스터리 앞에 멈춰 섰다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)를 중심으로 10년에 걸쳐 진행된 초정밀 측정 실험이 기존 국제 표준값과 일치하지 않는 결과를 내놓으면서 인류가 가장 오래 연구해 온 자연 상수 가운데 하나가 여전히 불확실성 속에 있다는 사실이 재확인된 것이다.

이번 연구는 학술지 계측학(Metrologia)에 발표됐으며, 세계 여러 연구기관의 중력 측정 논문들과 함께 현대 물리학의 가장 난해한 문제 중 하나를 다시 수면 위로 끌어올렸다.

빛의 속도는 정확한데, 왜 중력상수는 흔들리나

중력 상수 G는 두 질량 사이에 작용하는 중력의 세기를 나타내는 값이다. 뉴턴의 만유인력 법칙을 구성하는 핵심 요소이며, 행성의 궤도, 별의 질량, 우주의 구조 계산에 반드시 필요하다.

F = Gfrac{m_1m_2}{r^2}

여기서 G는 중력의 절대적 세기를 결정한다. 문제는 이 값이 다른 자연 상수들에 비해 유독 정확하게 측정되지 않는다는 점이다.

빛의 속도는 초당 299,792,458m로 정확히 정의되어 있고, 플랑크 상수 역시 극도로 높은 정밀도로 확정되어 있다. 반면 중력상수는 소수점 이하 여러 자리에서 실험값들이 계속 어긋난다. 국제과학위원회 산하 CODATA가 제시하는 현재 권장값도 상대 불확도가 약 22ppm(백만분의 22)에 달한다.

이는 현대 계측학 기준으로는 매우 큰 오차 범위다.

10년간의 실험… 결과는 또 불일치

이번 실험을 이끈 미국 NIST의 물리학자 스테판 슐라밍거(Stephan Schlamminger) 연구팀은 프랑스 국제도량형국(BIPM)의 기존 실험을 재현하는 방식으로 연구를 수행했다.

연구진은 진공 상태의 비틀림 저울(torsion balance)을 이용해 극미세 중력을 측정했다. 이 장치는 얇은 섬유에 매달린 금속 추의 비틀림 각도를 분석해 아주 작은 힘까지 감지할 수 있다.

그러나 실험 결과는 예상과 달랐다. 연구팀이 산출한 값은 다음과 같다.

G = 6.67387 times 10^{-11} mathrm{m^3,kg^{-1},s^{-2}}

이 수치는 기존 CODATA 권장값과 미세하지만 의미 있는 차이를 보였고, 재현하려던 프랑스 실험 결과보다도 0.0235% 낮았다.

겉으로는 극히 작은 차이처럼 보이지만, 기본 상수 측정에서는 치명적인 수준이다. 연구팀은 실험 과정에서 온도·압력·진동·자기장 등 거의 모든 변수들을 통제했음에도 완전히 일치하는 결과를 얻지 못했다.

슐라밍거는 이를 두고 “매일 카지노에 출근하는 기분이었다”고 표현했다.

왜 중력은 이렇게 측정하기 어려운가

독일 연방물리기술연구소(PTB)의 물리학자 Christian Rothleitner 는 중력 측정이 어려운 이유를 세 가지로 설명한다.

첫째, 중력은 자연계 기본 힘 가운데 가장 약하다.

전자기력이나 강한 핵력은 작은 규모에서도 매우 강하게 작용하지만, 중력은 거대한 질량이 있어야 비로소 뚜렷한 효과를 낸다. 실험실 규모에서는 측정 대상 자체가 너무 미세해 잡음과 외부 영향에 쉽게 흔들린다.

둘째, 모든 물체가 중력을 발생시킨다.

실험실 벽, 장비, 연구자 몸체까지도 미세한 중력장을 형성하기 때문에 측정 대상만의 순수한 중력을 분리하기가 극도로 어렵다.

셋째, 극도로 작은 비틀림을 감지해야 한다.

원자 수준의 진동이나 온도 변화조차 결과를 흔들 수 있다. 실제로 해외 연구들에서는 지진 미세진동, 공기 분자 충돌, 전하 축적 등이 오차 원인 후보로 제시됐다.

세계 각국 연구도 서로 다른 결과

흥미로운 점은 중력상수 측정값이 국가와 실험 방식에 따라 지속적으로 달라진다는 사실이다.

중국 우한대 연구진은 원자 간섭계를 활용한 양자 기반 측정 실험을 수행했고, 오스트리아와 스위스 연구진은 극저온 환경에서 레이저 간섭 측정 방식을 적용했다. 영국 국립물리연구소(NPL)는 실리콘 구체를 활용한 정밀 질량 비교 실험을 진행했다. 그러나 이들 결과 역시 서로 완벽하게 일치하지 않았다.

일부 물리학자들은 이런 불일치가 단순한 측정 오차를 넘어 새로운 물리 현상의 단서일 가능성도 조심스럽게 제기한다. 예컨대 아직 발견되지 않은 미세한 상호작용이나 암흑물질 효과가 영향을 미칠 수 있다는 가설이다. 하지만 다수 연구자들은 보다 현실적인 설명에 무게를 둔다.

영국 NPL의 연구자 이안 로빈슨(Ian Robinson)은 “우리가 아직 발견하지 못한 아주 작은 실험적 편향이나 장비 효과가 존재할 가능성이 더 높다”고 분석했다.

정확한 숫자보다 중요한 것은 미지의 제거

이번 연구는 결국 “정확한 숫자를 얻지 못했다”는 점에서 실패처럼 보일 수 있다. 그러나 과학계는 오히려 이를 중요한 진전으로 평가한다.

중력상수 연구는 단순히 숫자 하나를 맞추는 작업이 아니라, 인간이 어디까지 자연의 근본 법칙을 정밀하게 이해할 수 있는지를 시험하는 과정이기 때문이다.

슐라밍거 역시 “정밀 측정학은 어떤 수치에 도달하는 것이 아니라, 미지의 요소를 하나씩 제거해 나가는 과정”이라고 강조했다.

실제로 이번 실험 과정에서 개발된 초정밀 센서와 진동 제어 기술은 양자컴퓨팅, 중력파 탐지, 우주항법 시스템 등 다른 첨단 과학 분야에도 응용 가능성이 높다는 평가를 받고 있다.

225년 전 헨리 캐번디시(Henry Cavendish) 가 최초로 중력상수를 측정한 이후 인류는 여전히 같은 질문을 반복하고 있다.

우주를 지배하는 가장 익숙한 힘인 중력은 왜 아직도 완전히 이해되지 않는가. 그리고 그 질문은 2026년 현재에도 여전히 진행 중이다.