우리 우주에 관한 열 가지 양자 진실
10 Quantum Truths About Our Universe
[...]
1. 모든 것은 양자적이다.
어떤 것들은 양자 역학적이고 어떤 것들은 그렇지 않다는 것은 사실이 아닌 듯 보인다. 모든 것은 동일한 양자 역학의 법칙들을 준수하는데, 큰 객체들의 양자 효과는 인식하기 매우 어려울 뿐이다. 이런 이유 때문에 양자 역학은 이론 물리학의 발전에 있어서 신참자였는데, 전자들이 원자 핵 주변의 껍질들 위에 위치하고 있는 까닭을 물리학자들이 설명해야 할 때가 되어서야 비로소 정확한 예측을 하기 위해 양자 역학이 필요하게 되었다.
2. 양자화는 반드시 이산성을 의미하는 것은 아니다.
정의에 의하면 "양자"는 이산적인 덩어리이지만, 모든 것이 작은 규모에서 덩어리가 되거나 개체가 되는 것은 아니다. 전자기파는 "광자"로 불리는 양자들로 이루어져 있고, 그래서 전자기파는 이산적인 것으로 간주될 수 있다. 그리고 원자 핵 주변의 전자 껍질들은 어떤 이산적인 반경을 가질 수 있을 뿐이다. 그러나 양자 이론에서도 다른 입자 특성들은 이산적인 것이 되지 않는다. 예를 들면, 금속의 전도 띠에 속하는 전자들의 위치는 이산적이지 않는데, 전자는 띠 내에서 어떤 연속적인 위치도 점유할 수 있다. 그리고 전자기파를 구성하는 광자의 에너지 값도 이산적이지 않다. 이런 이유 때문에 중력의 양자화―우리가 최종적으로 성공한다면―가 반드시 시간과 공간이 이산적인 것이 되어야 한다는 점을 의미하는 것은 아니다. (그런데, 다른 한 편으로, 시간과 공간이 이산적인 것일지도 모른다.)
3. 얽힘은 중첩과 동일하지 않다.
양자 중첩은 어떤 계가 두 가지 상이한 상태에 동시에 있을 수 있는 능력인데, 그럼에도 측정하게 되면 언제나 중첩이 아니라 하나의 특수한 상태를 발견하게 된다. 다른 한 편으로 얽힘은 어떤 계의 둘 이상의 부분들 사이에 존재하는 상관 관계로서 전적으로 다른 것이다. 중첩은 근본적인 것이 아닌데, 어떤 상태가 중첩인지 아닌지 여부는 여러분이 측정하고 싶은 것에 의존한다. 예를 들면, 어떤 상태는 위치들의 중첩 상태에 있으면서 운동량들의 중첩 상태에 있지 않을 수 있는데, 그래서 전체 개념이 애매하다. 다른 한 편으로 얽힘은 명확한데, 그것은 각 체계의 고유한 특성이며 어떤 계의 양자성에 대한 여태까지 알려진 최선의 척도이다.
4. 불가사의한 원격 작용은 존재하지 않는다.
양자 역학의 어느 곳에서도 정보는 어떤 공간 범위를 그 사이의 모든 장소들을 거칠 필요도 없이 도약할 수 있도록 비국소적으로 결코 전달되지 않는다. 얽힘 자체는 비국소적이지만 아무 작용도 하지 않는데, 그것은 정보 또는 어떤 다른 관측 가능량의 비국소적 전달로 관련되어 있지 않은 상관 관계이다. 여러분이 두 개의 얽힌 광자들이 먼 거리로 분리된 다음에 각 광자의 스핀이 측정되는 연구를 목격할 때, 빛의 속력보다 더 빨리 전달되는 정보는 전혀 없다. 사실상, 여러분이 두 개의 관측 결과를 결합하려고 시도한다면, 그 정보는 빛의 속력으로 진행할 수 있을 뿐인데, 결코 더 빨리 진행할 수 없다! 무엇이 "정보"를 구성하는지는 양자 역학의 초기에 거대한 혼란의 원천이었지만, 오늘날 우리는 그 이론이 정보는 빛의 속력보다 더 빨리 전달될 수 없다는 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 완전히 양립 가능하게 될 수 있다는 것을 알고 있다.
5. 양자 물리학은 활발한 연구 분야이다.
양자 역학은 어제의 뉴스가 아닌 듯 보인다. 그 이론은 일 세기도 더 전에 생성되었다는 것은 사실이다. 그러나 그것의 많은 양상은 현대 기술로만 시험 가능하게 되었다. 양자 광학, 양자 정보, 양자 계산, 양자 암호학, 양자 열역학 그리고 양자 도량형학은 모두 최근에 형성되어 현재 매우 활발한 연구 분야들이다. 이런 기술들에 의해 생성된 새로운 역량과 더불어 양자 역학의 토대에 대한 관심이 다시 촉발되었다.
6. 아인슈타인은 양자 역학을 부인하지 않았다.
대중적인 견해와는 대조적으로 아인슈타인은 양자 역학 부인자가 아니었다. 그는 그럴 수 없을 것이었는데, 초기에 그 이론은 매우 성공적이어서 어떤 진지한 과학자도 그것을 일축할 수 없었다. (사실상, 양자 역학의 토대적 발견들 가운데 하나였던 것은 아인슈타인이 노벨 상을 수상하게 된 광전 효과의 발견인데, 그것은 광자가 파동뿐 아니라 입자로 작용한다는 점을 증명했다.) 대신에 아인슈타인은 양자 이론은 불완전하다고 주장했으며, 양자 과정의 고유한 무작위성은 더 심층적인 설명이 제시되어야 한다고 믿었다. 아인슈타인이 무작위성이 틀렸다고 생각한 것은 아니었는데, 그는 이것이 이야기의 끝이 아니라고 생각했을 뿐이었다. 양자 역학에 관한 아인슈타인의 견해에 대한 탁월한 해명에 대해서 나는 "아인슈타인이 양자 역학에 관해 정말로 생각한 것(What Eistein Reality Thought about Quantum Mechanics)"라는 제목의 조지 무서(George Musser)의 글을 추천한다.
7. 양자 역학은 단지 불확정성에 관한 것이다.
양자 역학의 중심 가설은, 예를 들면 입자의 위치와 운동량처럼, 동시에 측정될 수 없는 관측 가능량들의 쌍들이 존재한다는 것이다. 이런 쌍들은 "공액 변수"라고 불리며, 그것들의 값을 둘 다 정확히 측정할 수 없음이 양자 이론과 비양자 이론 사이의 본질적 차이를 구성하는 것이다. 양자 역학에서 이런 불확정성은 실험적 결점이 때문이 아니라 근본적인 것이다. 이것의 가장 당혹스러운 표현들 가운데 하나는 에너지와 시간 사이의 불확정성인데, 이것은 불안정한 입자(짧은 수명을 갖는)가 아인슈타인의 E=mc^2 덕분에 본질적으로 불확실한 질량을 갖는다는 점을 의미한다. 힉스 보손, W 보손과 Z 보손 그리고 톱 쿼크 같은 입자들은 모두 자체의 짧은 수명 때문에 본질적으로 1-10%까지 불확실한 질량을 갖는다.
8. 양자 효과는 반드시 작은 것은 아니다...
필요한 상관 관계가 매우 취약하기 때문에 일반적으로 먼 거리에서는 양자 효과를 관측하지 못한다. 그런데 상관 관계를 충분히 조심스럽게 다룬다면, 양자 효과는 장거리에 걸쳐 유지될 수 있다. 예를 들면, 광자는 수백 킬로미터만큼 떨어진 거리에 걸쳐 얽히게 되었다. 저온에서 발견되는 물질의 축퇴 상태인 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)에서는 수백 만 개에 이르는 원자들이 하나의 결맞는 양자 상태로 결합되었다. 그리고 마지막으로, 몇몇 연구자들은 심지어 암흑 물질이 은하 전체를 가로지르는 양자 효과를 가질 수 있다고 믿는다.
9. ...그러나 양자 효과는 작은 규모에서 지배적이다.
양자 역학에서 모든 입자는 또한 파동이고 모든 파동은 또한 입자이다. 관련된 파장에 비견할 만한 거리에서 어떤 입자를 관찰하면 양자 역학의 효과는 매우 두드러지게 된다. 이런 이유 때문에 원자 물리학과 아원자 물리학은 양자 역학이 없다면 이해될 수 없는 반면에, 행성 궤도는 양자 거동에 의해 사실상 바뀌지 않는다.
10. 슈뢰딩거의 고양이는 죽어 있다. 아니면 살아 있다. 둘 다는 아니다.
양자 역학의 초기에 그것은 잘 이해되지 않았지만, 거시적 객체의 양자 거동은 매우 빠르게 붕괴된다. 이런 "결풀림(decoherence)"은, 생명에 필요한 것처럼 비교적 온난하고 밀도 있는 장소들에서, 피할 수 없는 환경과의 지속적인 상호작용 때문이다. 이것이 우리가 측정이라고 간주하는 것은 인간을 필요로 하지 않는다는 점을 설명하는데, 환경과의 상호작용이 중요할 뿐이다. 또한 그것은 큰 객체를 두 개의 상이한 상태의 중첩으로 이끄는 것이 매우 어려우며 중첩이 빠르게 사라지는 까닭을 설명한다. 여태까지 위치들의 중첩 상태로 이루어진 가장 무거운 객체는 탄소-60 분자인데, 바이러스 또는 심지어 박테리아 같은 더 무거운 생물체들에 대해 이 실험을 행하고자 하는 더 야심만만한 계획이 제안되었다. 그러므로 슈뢰딩거의 고양이가 예전에 제기했던 역설―양자 중첩(붕괴하는 원자)의 거대한 객체(고양이)로의 전이―은 해결되어 버렸다. 이제 우리는, 원자 같은 작은 것들은 상당한 시간 동안 중첩 상태에 존재할 수 있지만, 거대한 객체는 엄청나게 빠르게 하나의 특수한 상태로 안정될 것이라고 이해한다. 그런 이유 때문에 우리는 죽어 있으면서 살아 있는 고양이를 결코 보지 못한다.