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1. 개요
중력자(重力子, graviton)는 존재 여부가 확인되지 않은, 이론상으로 추측되는 게이지 보손 입자. 중력파를 매개하는 입자이다. (광자가 전자기파를 매개하는 입자인 것과 마찬가지이다.)2. 이론
자연계에 있는 다른 모든 힘들은 성공적으로 양자화가 이루어졌기 때문에 전자기장, 약력장, 강력장과 상호작용하는 중력장도 양자화된다고 가정하는 것은 자연스럽다. 양자화는 국소적인 위상 변화에 대한 대칭, 다른 말로 게이지 대칭으로 인해 나타나는 현상이기 때문에 중력의 양자화는 중력의 게이지 이론화를 의미한다. 이러한 중력의 게이지 이론을 가정하면 중력의 게이지 입자, 즉 중력자의 존재가 예상된다. 파동이 양자역학적 교환자 관계를 따르도록 설정하면 파동의 에너지가 특정 에너지의 배수로 정해지는데 이 최소값이 양자이다. 전자기파의 양자가 광자이고, 중력파의 양자가 중력자이다. 즉 모든 에너지는 파동의 형태를 취하고 있고, 파동의 특이점이 '입자'인 것이다. 중력자는 1930년 레온 로젠펠트에 의해 처음으로 게이지 이론적으로 기술되었다. 1939년 볼프강 에른스트 파울리와 마르쿠스 피에르츠는 중력자의 스핀이 2 라는 것을 수학적, 이론적으로 밝혀낸다. 아쉽게도 현재까지 그리고 앞으로도 오랫동안 중력의 양자화의 실체는 검증되지 않을 것으로 보인다. 중력자의 존재를 힉스 입자처럼 직접 확인하려면 결국 실험으로 검증해야 하는데 이를 위해 필요한 게 원자보다 좁은 영역에 1019 GeV의 에너지[1]를 집중시켜야 하는 것. 중력파조차 겨우 밝혔지만 같은 실험을 재현하기도 까다로우니 말 다했다. 그렇다고 우주로부터 도움이 되는 신호가 오는 것도 아니니...한편, 이론 쪽 상황을 보자면 아무래도 초끈 이론이 유명하다. 초끈 이론에서는 자연스럽게 스핀이 2이며 질량이 0인 입자가 존재하게 되는데, 이를 중력자라 여기고 있다. 이 입자의 존재를 예견한다는 점에서(이것 때문만은 아니지만), 초끈 이론은 네 가지 기본 상호작용을 아우르는 모든 것의 이론의 후보로 지목된다. 중력의 작용거리가 무한하기 때문에 중력자는 질량, 색전하, 전하가 없어 광속으로 움직여야 한다. 색이나 전하값을 가지게 될 경우, 이론적으로 단독 중력자는 존재할 수 없게 된다. 만약 색전하를 띈다면 글루온 쌍과 같이 쌍을 이루어 움직임으로써 무색이 되거나, 글루온이나 쿼크와 상호작용해야 하는데, 이렇게 될 경우, 강한 상호작용에 묶여 상호작용 거리에 제한이 생긴다. 전하를 띌 경우에도 전자기력과 상호작용하기 때문에 마찬가지.[2]
부연설명하자면, 중력자는 물체를 끌어당기는 입자가 아니다. 중력이 본질적으로 물체를 끌어당기는 힘이 아니라는 사실은 일반 상대성 이론을 통해 검증되어 있다. 중력자가 존재한다면 중력은 시공간이 휘어진 곡률이고, 중력자는 중력을 매개로 나타나는 '흔적'일 뿐이지, 중력 그 자체처럼 시공간이 휘어 있기 때문에 우리가 감각으로 느끼게 되는 '끌어당기는 힘'을 매개하는 것이 아니다.
묘하게도 2016년 LIGO-VIRGO가 검출한 중력파와 많이들 헷갈려 한다. 그래도 중력파와 같이 중력 혹은 시공간의 왜곡을 어떤 파동과 같은 것으로 기술하기 시작하는 것으로부터 양자화가 시작되는 것인 점을 감안하면 아주 관련이 없다고 할 수 없겠지만 이 중력파만으로 중력의 양자화를 말하기는 어려운 게 사실이므로 중력자와는 엄연히 말해 다르다.
[1] 번개 하나의 에너지에 맞먹는 양이다. 혹은 TNT 1톤이 내놓는 에너지 정도의 레벨.[2] 더 강력하게, 와인버그-위튼 정리 때문에 중력자는 어떤 입자들의 합성일 수 없다고 말할 수 있다.