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

존 그리빈

John Gribbin
영국의 과학작가이자 천체물리학자. 방대한 지식을 바탕으로 평생토록 과학과 과학자에 대한 생생한 글쓰기 방법을 연구했고, 어려운 개념을 쉽게 풀어 설명하는 능력이 탁월하다. 지금까지 양자물리학, 진화와 유전, 기후변화와 지구온난화, 우주의 기원은 물론 유명 과학자들의 전기, SF 소설 등 100여 권의 책을 저술한 ‘대중과학계에서 가장 뛰어나고 왕성한 다작가’로 평가받는다. 지금은 고전이 된 《슈뢰딩거의 고양이를 찾아서》(1984)는 물리학 대중화의 첫 물결을 연 작품으로, BBC에 의해 수학에 대한 관심을 되살리는 방법의 성공적인 사례로 상찬받았다.
서식스대학교에서 물리학과 천문학을 공부하고, 1971년 케임브리지대학교에서 천체물리학 박사 학위를 받았다. 프레드 호일의 이론천문학연구소에서 일하다가 전업 과학작가가 되어 《네이처》 《뉴사이언티스트》 등에서 일했고, 《타임스》 《가디언》 《인디펜던트》 등의 과학면에 많은 글을 발표했다. 현재 서식스대학교 천문학과 객원연구원으로 있다. 영국과학작가협회가 수여하는 평생공로상(2009)을 비롯해 다수의 상을 수상했다.
주요 저서로 《과학자들》 《슈뢰딩거의 고양이를 찾아서》 《에르빈 슈뢰딩거와 양자 혁명》 《빙하기》 《멀티버스를 찾아서》 《태초에》 《138억 년》 《우주에서 홀로》 《양자 미스터리》 《스티븐 호킹의 삶과 과학》 《아인슈타인의 삶과 과학》 《다윈의 삶과 과학》 《리처드 파인만의 삶과 과학》 등이 있다.

들어가며 이게 도대체 무슨 뜻이지? 양자해석의 필요성
미스터리1 파동인가, 입자인가
미스터리2 유령과 같은 원격작용
해석1 ?코펜하겐 해석 우리가 바라보지 않으면 세계는 존재하지 않는다 ?
해석2 ?파일럿 파동 해석 세계는 우리가 바라보기 전까지 숨어 있다 ?
해석3 ?다세계 해석 일어날 수 있는 모든 일은 평행세계에서 실제로 일어난다 ?
해석4 ?결어긋남 해석 일어날 수 있는 모든 일은 이미 일어났고 ?우리는 그 일부를 알 뿐이다
해석5 ?앙상블 해석 존재 가능한 모든 것은 공간을 뛰어넘어 상호작용한다 ?
해석6 ?거래 해석 미래는 과거에 영향을 미친다 ?
나오며 제정신인 말이 하나도 없는
옮긴이의 말
더 읽을거리
그림 출처

양자역학은 이제까지의 과학이론 중 가장 성공적인 이론이다. 하지만 양자의 세계는 우리의 상식으로 잘 이해되지 않는다. 양자 세계에서는 고양이가 살이 있으면서 동시에 죽어 있기도 하고, 입자는 파동이기도 하다. 이처럼 이상한 양자의 세계는 1920년대 말 에르빈 슈뢰딩거, 베르너 하이젠베르크, 폴 디랙 등이 찾아낸 여러 방정식에 의해서 수학적으로 완전하게 기술되었지만 그 방정식의 의미, 즉 양자적 세계가 실제로 어떻게 작동하는지에 대해서는 아무도 상식적 설명을 내놓지 못했다. 과학도들은 그저 “닥치고 계산이나 해”라는 말만 들었다. 하지만 이에 만족하지 않은 일군의 물리학자들은 나름의 ‘설명’을 시도했고, 우리가 양자적 현상을 이해할 수 있도록 돕기 위해 고안된 개념적 모형이 바로 양자역학의 ‘해석’이라고 불린다.
지금은 고전이 된 《슈뢰딩거의 고양이를 찾아서》(1984)로 양자물리학 대중화의 첫 물꼬를 텄던 존 그리빈은 신작 《이토록 기묘한 양자》에서 지난 90년 동안 지구상에서 가장 뛰어난 과학자들이 양자역학의 의미를 밝히기 위해 제시한 최고의 생각들, 양자역학의 가장 중요한 6가지 해석을 공정하게 검토한다. 그리빈은 특정 해석을 지지하거나 비판하기보다는, 6가지 해석 모두 동일한 정도로 좋거나 나쁘다고 평가한다. 실제로 6가지 해석은 모두 동일한 예측(수학적 결론)을 제시하며, 오직 해석만이 다를 뿐이다. 그리빈은 해석들을 본격적으로 살펴보기에 앞서 문제의 본질, 양자 세계의 두 가지 미스터리를 조명한다.

미스터리1 파동인가, 입자인가
19세기 초 토머스 영은 이중슬릿 실험을 통해 빛이 파동임을 증명했지만, 20세기 초에 아인슈타인은 광전효과를 통해 빛이 입자임을 밝혔다. 빛보다 더 확실해 보였던 전자의 경우, J. J. 톰슨은 전자가 입자임을 증명하여 노벨상(1906)을 받았고, 아들 조지 톰슨은 전자가 파동임을 증명하여 노벨상(1937)을 받았다. 전자와 같은 양자적 개체가 때로는 파동처럼 행동하고 때로는 입자처럼 행동하는 ‘파동-입자 이중성’은 어떻게 가능할까?
그리빈은 이 수수께끼의 최근 버전들도 들려준다. 물리학 역사상 가장 아름다운 실험으로 꼽히는 ‘단일 전자 이중슬릿 회절’ 실험은 전자를 하나하나 쏘아 보내 두 개의 구멍을 통과시키는데, 구멍 하나를 막고 쏘기도 하고(2008), 전자를 발사한 후 구멍 하나를 자동장치로 막기도 한다(2013). 실험들에서 두 개의 구멍이 모두 열려 있을 때는 간섭무늬가 나타나고, 한쪽이 막혀 있을 때는 나타나지 않았다. 각각의 전자들은 자신이 통과하는 순간 몇 개의 구멍이 열려 있는지, 이전 전자에게 무슨 일이 일어났고 다음 전자에게 무슨 일이 일어날지 마치 ‘아는’ 것처럼 보였다. 이런 일이 어떻게 가능할까?

미스터리2 유령과 같은 원격작용
전자의 스핀이 ‘위 방향’(업) 대 ‘아래 방향’(다운)일 확률은 5 대 5다. 서로 반대 방향으로 날아가는 두 전자의 스핀은 보존법칙에 따라 하나가 업이면 다른 하나는 다운이 되어 서로 상쇄되어야 한다. 양자역학에 따르면, 전자의 스핀은 업인지 다운인지 명확하지 않은 ‘중첩’ 상태로 있다가 상호작용할 때 확률의 규칙에 따라 방향이 결정된다. 즉 하나의 전자가 업 스핀으로 결정되는 순간, 다른 전자는 아무리 멀리 떨어져 있어도 빛의 속도보다 빠르게 다운 스핀으로 결정된다. 아인슈타인은 이런 ‘유령 같은 원격작용’을 거부하며 기저에 깔린 ‘숨은 변수’를 찾고자 했다.
1960년대 중반 존 벨은 숨은 변수 이론을 지지하며, 국소성 즉 ‘유령 같은 원격작용은 존재하지 않음’을 증명하는 실험을 고안했다. 그러나 1980년대 초 광자를 이용한 그 실험에서 벨의 부등식에 위배되는 비국소성이 밝혀졌고, 유령 같은 원격작용 즉 ‘얽힘’은 이제 엄연한 사실로 받아들여지고 있다. 그리빈은 ‘유령 같은 원격작용’의 선례로 뉴턴이 발견한 중력을 든다. 우리가 양자 원격작용에 당혹스러워하듯, 뉴턴 역시 중력 원격작용에 당혹스러워했다. 아인슈타인이 일반상대성이론으로 중력 원격작용을 훨씬 덜 유령 같이 만들었듯이, 그리빈은 미래의 아인슈타인이 나타나 양자 원격작용을 더 멋지게 설명해주길 희망한다.
얽힘은 오늘날 다양한 방식으로 응용되고 있는데, 그리빈은 일례로 ‘양자 전송’(양자 암호통신)을 든다. 얽혀 있는 두 광자에서 한쪽에 일어나는 변화는 다른 쪽에 영향을 미친다. 만일 첫 번째 광자를 변화시켜 두 번째 광자를 첫 번째의 복제로 만든 후 첫 번째 광자가 사라진다면, 결과적으로 첫 번째 광자가 두 번째 광자로 원격 전송된 셈이다. 2012년 중국 연구팀은 얽혀 있는 광자들을 97km 원격 전송하는 데 성공했고, 같은 해 유럽 연구팀은 143km 원격 전송에 성공했다. 2016년 중국은 인공위성 묵자를 이용해 1200km 원격 전송에 성공했다.

해석1 코펜하겐 해석
우리가 바라보지 않으면 세계는 존재하지 않는다
수십 년간 양자역학의 표준적인 관점으로 군림한 코펜하겐 해석에 따르면, 우리가 입자를 찾으면 양자적 개체는 마치 입자처럼 행동하고, 우리가 파동을 찾으면 마치 파동처럼 행동한다. 우리가 보는 것은 우리가 무엇을 볼지에 대해 내린 선택에 달려 있다. 우리가 바라보지 않을 때(측정하지 않을 때) 양자적 개체가 무엇을 하는지 묻는 것은 의미가 없다. 더욱이 양자적 개체는 ‘확률 파동’으로 퍼져 있다가, 관측되는 순간 하나의 입자로 ‘붕괴’한다.
상자 안에 전자 하나가 갇혀 있다고 하자. 확률 파동이 상자 안을 고르게 채우고 있으므로 임의의 위치에서 전자를 발견할 확률은 동일하다. 이제 상자를 둘로 쪼개어 하나를 화성으로 보낸다. 실험실의 반쪽상자를 열어 전자를 발견하든 못하든, 그 순간 파동함수는 붕괴하고 화성으로 보낸 반쪽상자의 상태도 결정된다. 관측되기 전까지는 중첩 상태로 존재하다가 관측되는 순간 즉시 파동함수가 붕괴한다.
실용주의자였던 닐스 보어는 서로 다른 개념을 조각조각 이어붙여 체계를 만드는 데 능했지만 그 체계의 의미는 크게 신경 쓰지 않았다. 측정에 인간의 지성이 개입되어야 하는가? 아무도 쳐다보지 않으면 달은 존재하지 않는가? 인간이 우주를 인지할 수 있을 정도로 지성적인 까닭에 우주는 존재하는가? 코펜하겐 해석은 이와 같은 질문은 하지 말라고 한다는 점에서 그다지 근사하지는 않은 해석이다.

해석2 파일럿 파동 해석
세계는 우리가 바라보기 전까지 숨어 있다
코펜하겐 해석과 같은 시기 루이 드 브로이에 의해 제시된 대안적 해석은 보어의 격렬한 반대에 부딪혀 잊혔다가 1950년대 초 독자적 연구로 같은 결론에 도달한 데이비드 봄에 의해 부활했다. 그래서 ‘드 브로이-봄 해석’이라고도 한다.
파동-입자 이중성을 설명하는 가장 자연스럽고 간단한 이 해석에 따르면, 파동과 입자 모두 실재하며, 입자는 보이지 않는 파동의 안내를 받아 움직이지만(그래서 ‘파일럿 파동’이다) 파동에 영향을 미치지는 않는다. 마치 파도가 서퍼를 해변으로 데려오듯, 파동이 입자를 목적지까지 안내하는 것이다. 우리는 입자의 속성은 측정할 수 있지만 파동의 속성은 측정할 수 없다. 입자의 행동으로부터 파동의 존재를 추론할 뿐이며, 입자는 탐지되기 전까지 우리에게 숨겨져 있다(숨은 변수 이론). “모든 입자는 항상 명확한 속성을 갖고 있다. 단지 우리가 보기 전까지는 그 속성이 무엇인지 모를 뿐이다.” 잘 섞인 카드 한 벌을 생각해보자. 그중 한 장을 뒤집어 보기 전까지 그 값은 숨겨져 있다. 하지만 그 카드는 우리가 보지 않을 때도 항상 그 값을 가지고 있다. 반면에 코펜하겐 해석은 “우리가 바라보기 전까지 그 카드는 어떤 값도 갖지 않는다”라고 말한다. 수학적 결과(확률)는 똑같지만, 해석은 이처럼 상이하다.
퍼팅 연습을 할 때 골프공들은 그린 위에 특정한 패턴을 그린다. 만일 우리가 그린 표면의 상태와 공의 속력과 방향 등을 정확히 안다면, 우리는 원리상 공의 최종 위치를 결정할 수 있다. 이러한 의미에서 파일럿 파동 해석은 파동함수의 붕괴 같은 우연적 요소를 필요로 하지 않는 결정론적 해석이다.
파일럿 파동 해석에 따르면, 입자가 갖는 어느 순간의 속성도 동일한 순간에 예전에 그 입자와 상호작용했던 모든 입자의 속성에 의존한다. 이를 우주 전체에 적용하면, 지금 여기에 있는 단일한 입자의 행동은 이 순간에 우주에 있는 다른 모든 입자의 위치에 의존한다는 결론에 이르게 된다.

해석3 다세계 해석
일어날 수 있는 모든 일은 평행세계에서 실제로 일어난다
다세계 해석은 흔히 휴 에버렛이 처음 제시했다고 알려져 있지만, 그리빈은 슈레딩거가 원형을 제시했다고 본다. 슈레딩거는 양자역학의 방정식들 어디에도 붕괴에 대한 내용은 없다고 누누이 지적했다. 붕괴는 우리가 중첩 상태를 보지 못하는 이유를 설명하기 위해 보어가 이론에 덧붙인 것일 뿐이다. 그리빈은 슈레딩거의 고양이 비유를 들어 설명한다. 상자를 열었을 때 고양이가 살아 있는 세계와 죽어 있는 세계는 둘 다 항상 존재했고, 고양이의 운명이 결정되기 전까지 두 세계는 완전히 동일했다. 파동방정식이 기술하는 모든 가능한 해는 단순히 이러저러한 일들이 일어날 확률이 아니다. 그 모든 일은 실제로 동시에 일어나고, 서로 다른 우주가 무한히 존재한다.
에버렛의 다세계 해석은 처음에는 하나의 우주, 한 마리의 고양이만 존재하지만 상자를 여는 순간 (마치 아메바가 분열하듯) 두 개의 우주, 그 각각의 고양이로 ‘분기’한다는 점이 슈레딩거와 다르다. 형이상학적으로 과도한 부담을 안고 있는 해석으로 여겨져 처음에는 무시되었지만, 1970년대 양자컴퓨터와 우주론에 적용되면서 다시 주목을 받게 되었다.
양자컴퓨터의 큐비트는 0과 1이 중첩된 상태여서 2의 거듭제곱으로 커진다. 고작 300큐비트로도 2300비트, 즉 우주에서 관측할 수 있는 원자 수보다 더 많은 비트를 가진 일반 컴퓨터와 동등하다. 계산이 중첩에 대응하는 각각의 평행우주 속에 있는 동일한 컴퓨터들에 의해서 동시에 수행되기 때문에 일반 컴퓨터보다 성능이 강력한 것이다.
우주론자들은 ‘우리가 사는 대단히 있을 법하지 않은’ 우주의 존재