누가 양자 유령을 두려워하는가?
Who's Afraid of the Quantum Ghost?
1686년에 아이작 뉴턴이 보편중력 이론을 발표했을 때 그는 자신이 몇 가지 비판에 직면해야 했었다. 텅빈 공간을 가로질러 팔을 펼치는 유령처럼, 뉴턴의 이론은 두 질량체, 예를 들면, 태양과 지구 사이의 중력적 끌림을 그것들 사이에 순간적으로 작용하는 불가사의한 힘으로 서술했다.
직접 접촉하지 않은 채 어떻게 태양은 지구에, 그리고 지구는 태양에 영향을 미칠 수 있는가?
이것이 뉴턴의 이론에서 설명되지 않는 순간적인 "원격 작용"이라는 난제이다. 뉴턴은 자신의 연구에 단서 조항을 삽입함으로써 적들의 공격을 사전에 차단하려고 노력했다. 그는 자신의 이론이 대단히 많은 것들을 설명하는 데 매우 능숙해서 중력이 어디에서 비롯되는지, 또는 그것이 공간을 가로질러 작용하는지 묻는 것은 부적절하다고 주장했다. 오히려 이것들이 "실험철학"의 일부일 수 없을 것처럼 그는 "아무 가설도 꾸며대지" 않곤 했다.
1915년에 알베르트 아인슈타인은 중력에 관한 새로운 급진적인 사고 방식으로 상황을 진전시켰다. 그의 일반 상대성 이론에 따르면, 우리가 중력이라고 하는 것은 질량체 주위 공간의 휨에서 비롯된다. 신축성이 있는 섬유처럼 공간은 질량에 따라 다소간 변형된다. 행성들이 태양 주위를 공전하는 까닭은 태양의 거대한 질량이 주변의 가장 짧은 행로가 타원 형태가 되는 그런 식으로 공간을 변형시키기 때문이다.
아인슈타인은 뉴턴의 원격 작용에서 유령을 멋지게 퇴치했으며, 사실상 중력이 전적으로 국소적인 힘이라는 점을 증명했다. 게다가 중력의 효과는 공간을 가로질러 순간적으로 작용하는 것이 아니라 빛의 속도로 전파된다. 지금 당장 태양이 사라지면, 여러분은 8.3분이 지난 후에야 알아차릴 것인데, 그 시간은 빛(그리고 중력 교란)이 거기서 여기로 전파하는 데 걸리는 시간이다.
불행하게도, 아인슈타인이 편히 쉴 수 있기 전에 양자물리학이 원격 작용 유령을 다시 불러내었다.
1926년에 에르빈 슈뢰딩거가 파동방정식을 제시했을 때 그것은 전면적으로 시작되었는데, 그 방정식은 원래 전자들이 어떻게 빨려들지 않은 채 원자 핵을 공전하는지 서술하기 위해 제안되었다. 전자는 입자로서만 서술될 수 없다는 점이 분명했다. 드 브로이는 전자가 실제로 파동일 수도 있다는 점을 증명했는데, 그것은 이른바 파동-입자 이중성 또는, 보어가 서술하곤 했듯이, 물리적 실재에 대한 두 가지 상보적인 서술을 낳았다.
곧 슈뢰딩거의 파동은 전자, 또는 그 어떤 물질적인 것이 아니라, 전자가 할 수 있는 바에 대한 확률론적 서술이라는 점이 명백해졌다. [...] 양자물리의 기본 방정식은 사물들을 서술하지 않는다. 확률론적 파동은 잠재적인 것들, 즉 일정한 확률을 갖는 가능한 측정 결과들을 나타낸다. 측정되었을 때, 전자는 이런 저런 확률로 여기 또는 저기에 있을 수 있다.
엄밀히 말하자면, 전자의 위치를 측정하는 바로 그 행위가 공간의 어떤 지점에 그것을 만들어낼 것이다. 수학적으로, 측정 행위는 잠재적인 것들을 서술하는 파동이 단일한 지점, 즉 전자가 발견되는 지점으로 붕괴한다는 것을 의미한다. 아인슈타인이 대단히 짜증나게도, 그 파동은 순간적으로 붕괴할 것이다! 그리고 파동의 멀리 떨어진 부분들이 어떻게 붕괴하는 때를 알 것인가? 빛보다 더 빨리 전파하는 신호가 존재했는가? 원격 작용이 복귀했는가?
아인슈타인, 포돌스키, 그리고 로젠이 자연에 대한 양자 서술이 불완전하며, 더 나은 이론이 필요하다는 점을 증명하려고 노력한 1935년에 상황은 더 나빠졌다. EPR 역설이라고 알려져 있는 그들의 이의 제기에 대한 각색 판본으로 요약할 것이다.
빛이 편광되면, 우리가 말을 타고 갈 때처럼, 관련된 파동은 같은 방향으로 위와 아래로 향한다. 편광된 빛의 광자들은 이런 편광을 공유한다.
어떤 실험에서 광원이 반대 방향, 예컨대 동쪽과 서쪽으로 움직이는 한 쌍의 편광된 광자들을 만들어내었다고 가정하자. 두 물리학자 앨리스와 밥이 각각 광원에서 10야드 떨어진 곳에서 검출기를 들고 서 있었다고 가정하자. 동쪽에는 앨리스, 서쪽에는 밥. 광자들은 빛의 속력으로 움직이기 때문에 그 두 사람은 그들의 검출기에 동시에 도착하는 광자들을 검출했을 것이다.
이제 각 검출기가 두 개의 가능한 편광, 즉 수직 또는 수평의 편광을 검출할 수 있었을 것이라고 가정하자. 광원은 한 쌍의 광자들이 방출될 때 그것들이 같은 분극, 즉 수직 또는 수평의 편광 가운데 하나를 갖도록 준비되었다. 앨리스와 밥은 그것을 측정할 때까지는 어떤 편광 상태인지 모른다. 앨리스가 수직의 편광 상태를 측정한다고 하자. 밥도 수직의 편광 상태를 측정할 것이다. 앨리스가 수평의 편광 상태를 측정한다면, 밥도 그럴 것이다. 광자가 각 편광 상태로 발견될 확률은 50%일 것이다. 여태까지는 아무 문제도 없다.
앨리스가 광원에 조금 더 가까이 가기로 작정한다. 그는 수직의 편광 상태에 있는 광자를 측정한다. 그 즉시, 광자가 밥의 검출기에 닿기도 전에, 그는 밥의 광자도 수직의 편광 상태에 있을 것이라는 점을 알게 된다. 그런데 양자역학에 따르면, 관찰을 통해서만 무언가의 상태를 알 수 있다. 그리고 아무것도 빛의 속력보다 더 빨리 움직일 수 없기 때문에, 명백히 앨리스는 상호작용하지 않은 채 즉각적으로 밥의 광자에 영향을 미쳤다.
밥의 광자가 그에게 닿기 전에 앨리스는 훨씬 더 교묘하게 자신의 광자의 편광을 뒤집을 수 있었을 것이다. 또 다시, 앨리스는 밥의 광자가 자신의 광자와 동일한 편광 상태에 있을 것이라는 점을 알 것이다. 아인슈타인은 이것을 "도깨비 같은 원격 작용"이라고 불렀는데, 이것이 불가사의하고 경이로운 양자 유령이다. 아인슈타인의 뉴턴의 유령에 대해 행했던 일을 고려하면, 그가 왜 이 유령도 제거하는 데 매우 열중했는지 알 수 있다.
오늘날 전세계의 실험실들에서 그런 얽힌 입자쌍들이 만들어지고 분석되고 있다. 내가 선호하는 실험실들 가운데 하나는 비엔나 대학의 차일링거 실험실이다. 위에서 언급한 실험에서 광자들은 얽힌 한 쌍, 그래서 단일한 통일체를 구성한다. 두 광자가 서로 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 무관하게, 한 광자의 상태를 변화시키는 것은 즉시 나머지 다른 한 광자에 영향을 미친다. 최근에 차일링거 연구진은 [...] 자연이 도깨비 같은 원격 작용을 통해 작동한다는 점을 확증하는 최첨단 실험을 수행했다.
정말로 당황스러운 것은 무엇이 진행되고 있는지 설명하는―양자 유령을 퇴치하는―국소적 이론에 대한 아인슈타인의 희망이 차단되었다는 점이다. 그 실험은 순간적인 원격 작용을 설명하는 데 국소적인 양자역학 이론들을 배제한다. 물리학자들이 "비국소성"―도처에서 격리된 얽은 쌍들에 즉각적으로 작용하는 영향―이라고 부르는 것은 실재적인 듯 보이는 유령이다.
실재는 그저 기묘한 것이 아니다. 실재는 우리가 상상할 수 있는 것보다 훨씬 더 기묘하다.