이토록 기묘한 양자 : 과학이 세상에 대해 말할 수 있는 가장 기묘한 6가지 이야기

존그리빈

저자:존그리빈JohnGribbin
영국의과학작가이자천체물리학자.방대한지식을바탕으로평생토록과학과과학자에대한생생한글쓰기방법을연구했고,어려운개념을쉽게풀어설명하는능력이탁월하다.지금까지양자물리학,진화와유전,기후변화와지구온난화,우주의기원은물론유명과학자들의전기,SF소설등100여권의책을저술한‘대중과학계에서가장뛰어나고왕성한다작가’로평가받는다.지금은고전이된《슈뢰딩거의고양이를찾아서》(1984)는물리학대중화의첫물결을연작품으로,BBC에의해수학에대한관심을되살리는방법의성공적인사례로상찬받았다.
서식스대학교에서물리학과천문학을공부하고,1971년케임브리지대학교에서천체물리학박사학위를받았다.프레드호일의이론천문학연구소에서일하다가전업과학작가가되어《네이처》《뉴사이언티스트》등에서일했고,《타임스》《가디언》《인디펜던트》등의과학면에많은글을발표했다.현재서식스대학교천문학과객원연구원으로있다.영국과학작가협회가수여하는평생공로상(2009)을비롯해다수의상을수상했다.
주요저서로《과학자들》《슈뢰딩거의고양이를찾아서》《에르빈슈뢰딩거와양자혁명》《빙하기》《멀티버스를찾아서》《태초에》《138억년》《우주에서홀로》《양자미스터리》《스티븐호킹의삶과과학》《아인슈타인의삶과과학》《다윈의삶과과학》《리처드파인만의삶과과학》등이있다.

역자:강형구
서울대학교인문대학철학과를졸업하고,서울대학교자연대학원과학학과에서과학철학전공으로석사학위를받았다.현재같은대학원에서논리경험주의과학철학을주제로박사학위논문을쓰고있다.한국장학재단에서근무했으며,현재국립대구과학관에서연구원이자학예사로서근무하고있다.옮긴책으로한스라이헨바흐의《양자역학의철학적기초》《상대성이론과선험적지식》《원자와우주》와리처드뮬러의《나우:시간의물리학》(공역)이있다.

들어가며이게도대체무슨뜻이지?양자해석의필요성
미스터리1파동인가,입자인가
미스터리2유령과같은원격작용
해석1코펜하겐해석우리가바라보지않으면세계는존재하지않는다？
해석2파일럿파동해석세계는우리가바라보기전까지숨어있다？
해석3다세계해석일어날수있는모든일은평행세계에서실제로일어난다？
해석4결어긋남해석일어날수있는모든일은이미일어났고？우리는그일부를알뿐이다
해석5앙상블해석존재가능한모든것은공간을뛰어넘어상호작용한다？
해석6거래해석미래는과거에영향을미친다？
나오며제정신인말이하나도없는
옮긴이의말
더읽을거리
그림출처

양자역학은이제까지의과학이론중가장성공적인이론이다.하지만양자의세계는우리의상식으로잘이해되지않는다.양자세계에서는고양이가살이있으면서동시에죽어있기도하고,입자는파동이기도하다.이처럼이상한양자의세계는1920년대말에르빈슈뢰딩거,베르너하이젠베르크,폴디랙등이찾아낸여러방정식에의해서수학적으로완전하게기술되었지만그방정식의의미,즉양자적세계가실제로어떻게작동하는지에대해서는아무도상식적설명을내놓지못했다.과학도들은그저“닥치고계산이나해”라는말만들었다.하지만이에만족하지않은일군의물리학자들은나름의‘설명’을시도했고,우리가양자적현상을이해할수있도록돕기위해고안된개념적모형이바로양자역학의‘해석’이라고불린다.
지금은고전이된《슈뢰딩거의고양이를찾아서》(1984)로양자물리학대중화의첫물꼬를텄던존그리빈은신작《이토록기묘한양자》에서지난90년동안지구상에서가장뛰어난과학자들이양자역학의의미를밝히기위해제시한최고의생각들,양자역학의가장중요한6가지해석을공정하게검토한다.그리빈은특정해석을지지하거나비판하기보다는,6가지해석모두동일한정도로좋거나나쁘다고평가한다.실제로6가지해석은모두동일한예측(수학적결론)을제시하며,오직해석만이다를뿐이다.그리빈은해석들을본격적으로살펴보기에앞서문제의본질,양자세계의두가지미스터리를조명한다.

미스터리1파동인가,입자인가
19세기초토머스영은이중슬릿실험을통해빛이파동임을증명했지만,20세기초에아인슈타인은광전효과를통해빛이입자임을밝혔다.빛보다더확실해보였던전자의경우,J.J.톰슨은전자가입자임을증명하여노벨상(1906)을받았고,아들조지톰슨은전자가파동임을증명하여노벨상(1937)을받았다.전자와같은양자적개체가때로는파동처럼행동하고때로는입자처럼행동하는‘파동-입자이중성’은어떻게가능할까?
그리빈은이수수께끼의최근버전들도들려준다.물리학역사상가장아름다운실험으로꼽히는‘단일전자이중슬릿회절’실험은전자를하나하나쏘아보내두개의구멍을통과시키는데,구멍하나를막고쏘기도하고(2008),전자를발사한후구멍하나를자동장치로막기도한다(2013).실험들에서두개의구멍이모두열려있을때는간섭무늬가나타나고,한쪽이막혀있을때는나타나지않았다.각각의전자들은자신이통과하는순간몇개의구멍이열려있는지,이전전자에게무슨일이일어났고다음전자에게무슨일이일어날지마치‘아는’것처럼보였다.이런일이어떻게가능할까?

미스터리2유령과같은원격작용
전자의스핀이‘위방향’(업)대‘아래방향’(다운)일확률은5대5다.서로반대방향으로날아가는두전자의스핀은보존법칙에따라하나가업이면다른하나는다운이되어서로상쇄되어야한다.양자역학에따르면,전자의스핀은업인지다운인지명확하지않은‘중첩’상태로있다가상호작용할때확률의규칙에따라방향이결정된다.즉하나의전자가업스핀으로결정되는순간,다른전자는아무리멀리떨어져있어도빛의속도보다빠르게다운스핀으로결정된다.아인슈타인은이런‘유령같은원격작용’을거부하며기저에깔린‘숨은변수’를찾고자했다.
1960년대중반존벨은숨은변수이론을지지하며,국소성즉‘유령같은원격작용은존재하지않음’을증명하는실험을고안했다.그러나1980년대초광자를이용한그실험에서벨의부등식에위배되는비국소성이밝혀졌고,유령같은원격작용즉‘얽힘’은이제엄연한사실로받아들여지고있다.그리빈은‘유령같은원격작용’의선례로뉴턴이발견한중력을든다.우리가양자원격작용에당혹스러워하듯,뉴턴역시중력원격작용에당혹스러워했다.아인슈타인이일반상대성이론으로중력원격작용을훨씬덜유령같이만들었듯이,그리빈은미래의아인슈타인이나타나양자원격작용을더멋지게설명해주길희망한다.
얽힘은오늘날다양한방식으로응용되고있는데,그리빈은일례로‘양자전송’(양자암호통신)을든다.얽혀있는두광자에서한쪽에일어나는변화는다른쪽에영향을미친다.만일첫번째광자를변화시켜두번째광자를첫번째의복제로만든후첫번째광자가사라진다면,결과적으로첫번째광자가두번째광자로원격전송된셈이다.2012년중국연구팀은얽혀있는광자들을97km원격전송하는데성공했고,같은해유럽연구팀은143km원격전송에성공했다.2016년중국은인공위성묵자를이용해1200km원격전송에성공했다.

해석1코펜하겐해석
우리가바라보지않으면세계는존재하지않는다
수십년간양자역학의표준적인관점으로군림한코펜하겐해석에따르면,우리가입자를찾으면양자적개체는마치입자처럼행동하고,우리가파동을찾으면마치파동처럼행동한다.우리가보는것은우리가무엇을볼지에대해내린선택에달려있다.우리가바라보지않을때(측정하지않을때)양자적개체가무엇을하는지묻는것은의미가없다.더욱이양자적개체는‘확률파동’으로퍼져있다가,관측되는순간하나의입자로‘붕괴’한다.
상자안에전자하나가갇혀있다고하자.확률파동이상자안을고르게채우고있으므로임의의위치에서전자를발견할확률은동일하다.이제상자를둘로쪼개어하나를화성으로보낸다.실험실의반쪽상자를열어전자를발견하든못하든,그순간파동함수는붕괴하고화성으로보낸반쪽상자의상태도결정된다.관측되기전까지는중첩상태로존재하다가관측되는순간즉시파동함수가붕괴한다.
실용주의자였던닐스보어는서로다른개념을조각조각이어붙여체계를만드는데능했지만그체계의의미는크게신경쓰지않았다.측정에인간의지성이개입되어야하는가?아무도쳐다보지않으면달은존재하지않는가?인간이우주를인지할수있을정도로지성적인까닭에우주는존재하는가?코펜하겐해석은이와같은질문은하지말라고한다는점에서그다지근사하지는않은해석이다.

해석2파일럿파동해석
세계는우리가바라보기전까지숨어있다
코펜하겐해석과같은시기루이드브로이에의해제시된대안적해석은보어의격렬한반대에부딪혀잊혔다가1950년대초독자적연구로같은결론에도달한데이비드봄에의해부활했다.그래서‘드브로이-봄해석’이라고도한다.
파동-입자이중성을설명하는가장자연스럽고간단한이해석에따르면,파동과입자모두실재하며,입자는보이지않는파동의안내를받아움직이지만(그래서‘파일럿파동’이다)파동에영향을미치지는않는다.마치파도가서퍼를해변으로데려오듯,파동이입자를목적지까지안내하는것이다.우리는입자의속성은측정할수있지만파동의속성은측정할수없다.입자의행동으로부터파동의존재를추론할뿐이며,입자는탐지되기전까지우리에게숨겨져있다(숨은변수이론).“모든입자는항상명확한속성을갖고있다.단지우리가보기전까지는그속성이무엇인지모를뿐이다.”잘섞인카드한벌을생각해보자.그중한장을뒤집어보기전까지그값은숨겨져있다.하지만그카드는우리가보지않을때도항상그값을가지고있다.반면에코펜하겐해석은“우리가바라보기전까지그카드는어떤값도갖지않는다”라고말한다.수학적결과(확률)는똑같지만,해석은이처럼상이하다.
퍼팅연습을할때골프공들은그린위에특정한패턴을그린다.만일우리가그린표면의상태와공의속력과방향등을정확히안다면,우리는원리상공의최종위치를결정할수있다.이러한의미에서파일럿파동해석은파동함수의붕괴같은우연적요소를필요로하지않는결정론적해석이다.
파일럿파동해석에따르면,입자가갖는어느순간의속성도동일한순간에예전에그입자와상호작용했던모든입자의속성에의존한다.이를우주전체에적용하면,지금여기에있는단일한입자의행동은이순간에우주에있는다른모든입자의위치에의존한다는결론에이르게된다.

해석3다세계해석
일어날수있는모든일은평행세계에서실제로일어난다
다세계해석은흔히휴에버렛이처음제시했다고알려져있지만,그리빈은슈레딩거가원형을제시했다고본다.슈레딩거는양자역학의방정식들어디에도붕괴에대한내용은없다고누누이지적했다.붕괴는우리가중첩상태를보지못하는이유를설명하기위해보어가이론에덧붙인것일뿐이다.그리빈은슈레딩거의고양이비유를들어설명한다.상자를열었을때고양이가살아있는세계와죽어있는세계는둘다항상존재했고,고양이의운명이결정되기전까지두세계는완전히동일했다.파동방정식이기술하는모든가능한해는단순히이러저러한일들이일어날확률이아니다.그모든일은실제로동시에일어나고,서로다른우주가무한히존재한다.
에버렛의다세계해석은처음에는하나의우주,한마리의고양이만존재하지만상자를여는순간(마치아메바가분열하듯)두개의우주,그각각의고양이로‘분기’한다는점이슈레딩거와다르다.형이상학적으로과도한부담을안고있는해석으로여겨져처음에는무시되었지만,1970년대양자컴퓨터와우주론에적용되면서다시주목을받게되었다.
양자컴퓨터의큐비트는0과1이중첩된상태여서2의거듭제곱으로커진다.고작300큐비트로도2300비트,즉우주에서관측할수있는원자수보다더많은비트를가진일반컴퓨터와동등하다.계산이중첩에대응하는각각의평행우주속에있는동일한컴퓨터들에의해서동시에수행되기때문에일반컴퓨터보다성능이강력한것이다.
우주론자들은‘우리가사는대단히있을법하지않은’우주의존재자체를설명하는최선의방법으로다세계해석을받아들인다.우주적파동함수는모든가능한시간에서모든가능한우주들을기술한다.소설속세계도물리법칙을따르기만한다면다중우주어딘가에실제로존재할수있다.즉《폭풍의언덕》의세계는실제로존재할수있지만《해리포터》의세계는존재하지않는다.그러나우주적파동함수는상태의변화에대해서는말하지않는다.모든상태가그저존재할뿐시간이흐르지않는다.

해석4결어긋남해석
일어날수있는모든일은이미일어났고우리는그일부를알뿐이다
하나의빛에서출발해두개의구멍을통과한파동들은보조가잘맞아,파동의오르고내리는규칙적패턴이서로어우러져간섭무늬를만든다.반면에벽을비추는두개의횃불은간섭무늬를만들지못하는데,둘의차이는결이맞느냐맞지않느냐다.경기장의파도타기를생각해보자.경기장에서옆사람을따라제시간에팔을올렸다내리면파동이경기장전체를휩쓸게된다.이것은결이맞지만,사람들이무작위로손을흔드는것은결이맞지않는다.결어긋남해석옹호자들에따르면,양자세계를지금과같이작동하게하는원리가‘결맞음’이다.
양자세계와일상세계의차이는크기가아니라결맞음에의존한다.앤서니레깃은SQUID(초전도양자간섭장치)를만들어원자보다큰거시적대상에도양자역학을적용할수있는지실험했다.반지크기의이장치를따라맴도는전자파동은마치단일한양자적개체처럼행동했다.뿐만아니라하나의전자파동이동시에두방향으로가는중첩도보여주었다.“대상의양자성을결정하는것은대상의크기가아니라파동의결이맞는다는사실이다.”하지만장치의온도가올라가파동들의결이어긋나면양자성이사라지는데,마치결어긋남이파동함수의붕괴를야기한듯하다.이때문에결어긋남해석을다른이름의코펜하겐해석이라고여기는이도있다.
결어긋남해석에서중첩과얽힘은동전의양면이다.순수한양자적개체가외부세계와상호작용하여결이어긋날때얽힘은오히려증가한다.외부세계와분리된순수한양자적계란존재하지않는다.“오직원래의입자와상호작용했던모든것과,그모든것이지금까지상호작용했거나접촉했던모든것들이중첩된,두개의얽힌계가존재할따름이다.”결어긋남은대상이클수록더빨리일어나는데,다른대상과그리고서로간에상호작용할비트가더많기때문이다.사실상결어긋남은순식간에필연적으로일어난다.‘아무도쳐다보지않으면달은존재하지않느냐?’라는반론에코펜하겐해석은제대로대답할수없었지만,결어긋남해석은“햇빛의광자들까지도필요없이우주배경복사로부터오는광자들만으로도결어긋남을일으켜달을‘실재하는것’으로만들기에충분하다.”
결어긋남해석을지금여기만이아니라우주전체역사로적용해볼수있다.이‘정합적역사해석’에따르면,세계에서일어나는모든일은측정의결과가무엇이든지간