이토록 기묘한 양자

양자역학의 미스터리와 과학이 말할 수 있는 가장 기묘한 여섯 가지 이야기 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 표