mind&body medicine의 이해를 위한 탐구!! 양자역학...

[문형철]

양자역학을 이해해야

인간의 마음-몸 의학(mind and body medicine) 문제를 설명할 수 있는 실마리가 보일 것이다!!

이 문제가 이해될때까지 매일 인류 고전물리학의 난제

양자역학 탐구에 step by step .. 몰입에 도전!!

https://www.youtube.com/watch?v=p4aI-EP2xdY&list=LL&index=1

1. 양자혁명의 서막 — 플랑크와 아인슈타인

막스 플랑크 (Max Planck)

1900년

흑체 복사 문제를 해결하기 위해

에너지 양자 가설을 처음 제안했습니다.

E=hν (h: 플랑크 상수)

19세기 말 물리학자들은 흑체(blackbody) 복사 문제를 해결하려고 했습니다. 흑체는 모든 파장의 빛을 완벽하게 흡수하고 방출하는 이상적인 물체입니다. 실험적으로 흑체가 방출하는 빛의 스펙트럼(파장별 에너지 분포)은 온도에 따라 특정한 곡선을 그립니다.

고전 물리학(레이leigh-Jeans 법칙)으로는 이 곡선을 설명할 수 없었습니다. 고전 이론에 따르면 고주파(짧은 파장, 자외선 영역)에서 에너지 밀도가 무한대로 발산해야 했습니다. 이를 자외선 파국(Ultraviolet Catastrophe)이라고 합니다.

플랑크는 문제를 해결하기 위해 혁명적인 가정을 하나 세웠습니다.

에너지는 연속적으로 방출되거나 흡수되는 것이 아니라, 불연속적인 ‘덩어리(양자, quantum)’ 단위로만 교환된다.

플랑크는 이 가설을 세운 후에도 상당히 불편해했습니다.

• 그는 양자 개념이 “자연의 본질”이라고 생각하기보다는, 수학적으로 문제를 해결하기 위한 임시방편으로 여겼습니다.
• 수년 동안 고전 물리학의 틀 안에서 양자 가설을 어떻게든 조화시키려고 노력했습니다.
• 1918년 노벨 물리학상을 받을 때도, 양자 개념의 중요성을 완전히 받아들인 상태는 아니었습니다.
• 나중에 아인슈타인이 광전효과(1905)에서 광양자 개념을 물리적으로 해석하면서, 플랑크의 가설이 진짜 혁명으로 발전했습니다

플랑크의 에너지 양자 가설은:

• 고전 물리학의 종말을 알리는 신호탄
• 양자역학(Quantum Mechanics) 탄생의 출발점
• “에너지가 양자화된다”는 생각이 이후 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등으로 이어짐

플랑크 자신은 “양자혁명”의 아버지로 불리지만, 정작 본인은 그 혁명을 가장 늦게, 가장 마지못해 받아들인 사람 중 하나였습니다

처음에는 수학적 트릭으로 여겼으나,

이는 고전 물리학의 결정론적·연속적 세계관을 깨는 시작이었습니다.

플랑크 본인은 보수적이었고,

양자 개념이 “현실”이라고 받아들이기까지 오랜 시간이 걸렸습니다.

알베르트 아인슈타인 (Albert Einstein)

1905년 광전효과를 설명하며

광양자(광자, photon) 개념을 확립했습니다.

그러나

후반생에는 양자역학의 확률론적·비결정론적 성격에 강하게 반대했습니다.

유명한 말:

“신은 주사위를 던지지 않는다 (God does not play dice with the universe).”

그는 우주는 본질적으로 결정론적이고,

우리가 모르는 숨은 변수(hidden variables)가 있을 것이라고 믿었습니다.

1935년 EPR 역설을 통해

양자역학이 “불완전한 이론”이라고 주장했습니다.

EPR 역설(EPR Paradox)은
1935년 알베르트 아인슈타인(Einstein), 보리스 포돌스키(Podolsky), 네이선 로젠(Rosen)이 
양자역학의 불완전성을 증명하기 위해 제시한 사고실험

2. 원자 모델과 상보성 — 닐스 보어

닐스 보어 (Niels Bohr)

1913년 보어 원자 모델로

수소 스펙트럼을 성공적으로 설명하며 양자 개념을 원자 구조에 처음 적용.

그의 가장 중요한 기여는 상보성 원리(Complementarity)입니다.

• 빛과 물질은 파동과 입자 성질을 동시에 가질 수 없다.
• 어떤 실험 장치를 쓰느냐에 따라 한쪽 성질만 드러난다.
• 관측 행위 자체가 현실을 결정한다는 코펜하겐적 관점의 핵심.

보어는

아인슈타인과 수십 년 동안 철학적 논쟁을 벌였으며,

“측정하지 않으면 실재하지 않는다”에

가까운 입장을 견지했습니다.

3. 현대 양자역학의 두 기둥 — 하이젠베르크 vs 슈뢰딩거

베르너 하이젠베르크 (Werner Heisenberg)

1925년 행렬역학을 개발했습니다.

1927년 불확정성 원리를 발표:

에르빈 슈뢰딩거 (Erwin Schrödinger)

1926년 파동역학과

유명한 슈뢰딩거 방정식을 제시했습니다:

그는 물질을 연속적인 파동으로 기술하고 싶어 했습니다. 그러나 양자역학이 코펜하겐 식으로 해석되는 것에 불만이 많았고, 슈뢰딩거의 고양이 사고실험을 통해 “중첩 상태가 거시 세계까지 적용되면 얼마나 터무니없는가”를 지적하며 코펜하겐 해석을 비판했습니다.

4. 얽힘과 실재론 논쟁 — EPR → 벨 → 실험

아인슈타인·포돌스키·로젠(EPR, 1935)은

얽힌(entangled) 입자 쌍을 이용해

“국소적 실재론(local realism)”을 주장했습니다.

“측정하지 않아도 입자는 이미 정해진 성질을 가져야 한다.”

존 벨 (John Bell, 1964)은

벨의 부등식을 통해

국소 숨은 변수 이론이 양자역학과 양립할 수 없음을 수학적으로 증명했습니다.

1980년대

알랭 아스페(Alain Aspect) 등의 실험으로 얽힘이 실험적으로 확인되면서,

아인슈타인의 국소 실재론은 실험적으로 기각되었습니다.

아스페(Alain Aspect)와 동료들(Philippe Grangier, Gérard Roger 등)은

벨 부등식을 실제로 테스트한

가장 유명하고 결정적인 초기 실험을 수행했습니다.

실험 핵심 아이디어

• 얽힌 광자 쌍을 만들어 두 광자를 멀리 떨어진 두 곳으로 보냅니다.
• 각 광자의 편광(polarization)을 측정합니다.
• 편광 측정 각도를 바꿔가며 상관관계를 정밀하게 측정합니다.
• 국소성(loop hole)을 최대한 줄이기 위해 빠른 스위칭을 도입했습니다.

구체적인 실험 장치

1. 얽힌 광자 생성: 칼슘 원자를 레이저로 여기시킨 후, 원자가 계단식(cascade)으로 붕괴하면서 두 개의 편광이 얽힌 광자를 방출하게 만듦.
2. 두 광자를 서로 반대 방향으로 보냄 (수 미터 ~ 수십 미터 떨어진 곳).
3. 각 측정 장소에 편광판(polarizer)을 설치하고, 광자가 통과했는지(+1) 또는 흡수됐는지(-1)를 검출.
4. 편광판의 각도를 여러 조합(A, A', B, B')으로 바꿔가며 수많은 쌍을 측정.
5. 특히 중요한 점: 광자가 이미 날아가고 있는 동안 편광판 각도를 초고속으로 바꿈 (acousto-optic modulator 사용). → “측정 장치가 미리 정해져 있었다”는 국소성 회피 주장을 어렵게 만듦.

아스페 실험은

당시로서는 최고 수준이었지만,

아직 완벽하게 loophole-free(모든 구멍을 막은)는 아니었습니다.

주요 남은 loophole:

• 검출 loophole: 검출 효율이 낮아서, 검출되지 않은 사건들이 결과를 왜곡할 수 있음.
• 국소성 loophole: 완전히 동시에 각도를 바꾸는 데 한계가 있었음.

알랭 아스페의 1982년 실험은
벨 부등식을 명확히 위반했지만,
완벽한 증거로 인정받지 못했습니다.

이유는
실험에 아직 구멍(loophole)이 남아 있었기 때문입니다.

국소적 실재론(local hidden variable theory)을 주장하는 사람들은 이렇게 반박할 수 있었습니다:

“실험 결과가 양자역학처럼 나온 건, 실험에 구멍이 있어서 그래. 실제로는 국소적 실재론이 맞을 수도 있어.”

그래서 물리학자들은 모든 주요 구멍을 동시에 막은 실험을 오랫동안 목표로 삼았습니다. 이것이 바로 Loophole-free Bell Test입니다

2015년: 드디어 Loophole-free Bell Test 성공

2015년에 세 연구팀이 거의 동시에

모든 주요 loophole을 닫은 Bell 실험에 성공했습니다.

이를

Bell test trilogy라고 부르기도 합니다.

① Hensen et al. (네덜란드 델프트 대학, 2015)

• 사용한 시스템: 다이아몬드 내 질소-공석 중심(NV center)
• 두 개의 NV center를 광자로 얽힘
• 검출 효율이 매우 높아서 Detection Loophole 폐쇄
• 두 장치를 1.3km 떨어진 곳에 배치 → Locality Loophole도 상당 부분 폐쇄
• 결과: 벨 부등식 위반 (통계적 유의성 매우 높음)

② Giustina et al. (오스트리아 비엔나 대학)

• 사용한 시스템: 고효율 초전도 나노와이어 단일광자 검출기를 이용한 얽힌 광자
• 검출 효율을 극도로 높여 Detection Loophole 폐쇄
• Locality Loophole도 공간 분리로 해결

③ Shalm et al. (미국 NIST, 볼더)

• 역시 고효율 검출기를 사용한 광자 기반 실험
• Detection Loophole과 Locality Loophole을 동시에 폐쇄
• 매우 높은 통계적 신뢰도

이 세 실험 모두 국소적 실재론이 예측하는 한계를 명백히 넘어서는 결과를 얻었습니다.

Loophole-free Bell Test의 의미

• 이제 “실험에 구멍이 있어서 그렇다”는 반론이 거의 불가능해졌습니다.
• 아인슈타인이 꿈꾸던 국소적 실재론(Local Realism)은 실험적으로 매우 강력하게 기각되었습니다.
• 양자역학의 비국소적 상관관계(얽힘)가 실재한다는 것이, loophole 없이 확인된 것입니다.

2017년: Cosmic Bell Test (Big Bell Test)

• 측정 설정을 먼 우주의 퀘이사(quasar) 빛으로 결정
• Freedom-of-Choice Loophole까지 거의 완벽하게 폐쇄

• 현재(2026년): 여러 연구팀이 더 긴 거리, 더 높은 효율, 위성 기반 Bell test 등을 진행 중입니다.

왜 Cosmic Bell Test가 필요했나?

2015년
loophole-free Bell test (Hensen, Giustina, Shalm 팀)로
검출 loophole과 국소성 loophole은 거의 완벽하게 막혔습니다.

하지만
아직 남아 있던 가장 철학적인 구멍이 하나 있었습니다.

Freedom-of-Choice Loophole (또는 Measurement Independence Loophole, Superdeterminism Loophole)

• 기존 실험에서는 측정 설정(예: 편광판 각도)을 실험실의 난수 생성기로 결정했습니다.
• 그런데 국소적 숨은 변수 이론을 극단적으로 주장하는 사람들은 이렇게 반박할 수 있습니다:

“그 난수 생성기도 사실 우주 초기에 결정된 숨은 변수에 의해 이미 정해져 있었다. 그래서 실험 결과가 조작된 것처럼 보이는 것이다.”

이것을 Superdeterminism(초결정론)이라고 합니다.

이 주장을 완전히 차단하려면,
측정 설정을 실험과 인과적으로 전혀 연결될 수 없는, 우주적으로 먼 과거에서 결정해야 합니다.

→ 이 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 Cosmic Bell Test입니다.

Cosmic Bell Test의 핵심 아이디어

“측정 설정을 별빛(또는 퀘이사 빛)으로 결정하자”

• 수억 ~ 수십억 광년 떨어진 퀘이사(quasar)나 별의 빛을 이용합니다.
• 그 빛이 우리에게 도착하는 순간, 또는 빛의 특정 성질(색, 도착 시간 등)을 이용해 측정 설정을 무작위로 결정합니다.
• 이 빛은 수억 년 전에 이미 출발했기 때문에, 현재 실험과 인과적으로 연결될 가능성이 극도로 낮습니다.

이렇게 하면
“측정 설정이 미리 정해져 있었다”는
초결정론 주장을 사실상 불가능하게 만듭니다.


실제로 수행된 주요 Cosmic Bell Test

2017년 Handsteiner et al. 실험 (가장 유명한 Cosmic Bell Test)

• 주도: Anton Zeilinger 그룹 등 국제 공동 연구
• 사용한 광원: 고적색편이(high-redshift) 퀘이사 (빛이 방출된 시점이 우주 나이 40억 년 전 이상)
• 실험 장소: 오스트리아 비엔나 근교
• 방법:
  • 퀘이사에서 오는 빛을 망원경으로 받아서 측정 설정을 결정
  • 동시에 실험실에서 얽힌 광자 쌍을 생성해 Bell test 수행
• 결과: 벨 부등식을 명확히 위반 (통계적으로 매우 유의미한 수준)

이 실험은
Freedom-of-Choice Loophole을
우주 규모로 폐쇄한 최초의 실험으로 평가받습니다.

Cosmic Bell Test는

측정 설정을 수억 광년 떨어진 퀘이사 빛으로 결정함으로써,

“실험 설정이 미리 정해져 있었다”는 초결정론(Freedom-of-Choice Loophole)까지 막은

Bell 실험입니다.

2017년 수행된 이 실험은

아인슈타인이 상상했던 국소적 실재론을,

우주적 규모에서 거의 완전히 실험적으로 기각한 중요한 이정표입니다.

국소 실재론(Local Realism)이란?

아인슈타인이 평생 믿었던 생각입니다.

“우리가 보든 안 보든, 물건은 이미 정해진 성질을 가지고 있다. 그리고 멀리 떨어진 두 물건은 서로 영향을 주고받을 수 없다.”

예를 들어, 두 개의 주사위를 멀리 떨어진 곳에 놓고 하나를 던지면, 다른 하나는 이미 어떤 숫자가 나올지 정해져 있어야 한다는 생각이에요. (서로 ‘유령처럼’ 영향을 주면 안 된다고 봤습니다.)

BIG Bell Test가 보여준 것

BIG Bell Test에서는 이 아인슈타인의 생각을 정면으로 테스트했습니다.

결과는?

• 13개의 완전히 다른 실험을 했어요. (광자, 원자, 초전도 소자 등 완전히 다른 장치들로)
• 그런데 모든 실험에서 같은 결과가 나왔습니다: 아인슈타인이 생각한 ‘한계’를 명확히 넘어버렸다.

→ 이걸 Bell 부등식 위반이라고 해요.

그런데 실제로 실험해보니:

“두 주사위가 서로 영향을 주고 있는 것처럼 결과가 나왔다. 게다가 결과가 ‘이미 정해져 있었다’고 설명할 수 없는 수준이었다.”

그래서 결론은:

아인슈타인의 ‘국소 실재론’은 실험적으로 강하게 반박당했다.

마지막으로 중요한 포인트

사람이 직접 게임하면서 고른 난수(인간이 만든 무작위)와,

기계가 자동으로 만든 난수(QRNG)의 결과가 거의 똑같이 나왔어요.

→ “사람이 직접 골라서 그런 거 아니냐?”는 의심도 사라지게 만들었습니다.

1. 핵심 논문 (가장 중요한 성과)

• 논문 제목: Challenging local realism with human choices
• 저자: The BIG Bell Test Collaboration (106명의 공동 저자)
• 게재지: Nature (2018년 5월 9일 온라인 게재)
• DOI: 10.1038/s41586-018-0085-3

이 논문은

BIG Bell Test의 모든 데이터를 종합 분석한 공식 결과물입니다.

2. 주요 과학적 성과

(1) Freedom-of-Choice Loophole 최초 폐쇄 (가장 큰 기여)

• 기존 Bell 실험에서는 측정 설정을 컴퓨터 난수 생성기(QRNG)로 결정했습니다.
• BIG Bell Test는 인간의 자유로운 선택을 이용해 측정 설정을 결정했습니다.
• 이를 통해 “자유 선택 loophole” (설정 선택이 숨은 변수에 의해 미리 영향을 받았을 가능성)을 인간의 자유 의지를 가정하여 처음으로 강하게 폐쇄했습니다.

(2) 국소 실재론(Local Realism) 강력한 반박

• 13개의 독립적인 Bell 실험(광자, 단일 원자, 원자 앙상블, 초전도 소자 등 다양한 시스템) 모두에서 Bell 부등식을 명확히 위반하는 결과를 얻었습니다.
• 결과는 아인슈타인의 국소 실재론 세계관과 강하게 모순됩니다.
• 인간이 만든 난수와 기존 양자 난수 생성기(QRNG) 사이에 위반 정도가 거의 동일하게 나타났습니다.

(3) 새로운 실험 방법론 개발

• 비디오 게임을 이용한 대규모 인간 난수 수집 방법 개발 (빠르고 지속적인 무작위 선택 유도)
• 글로벌 실시간 데이터 스트리밍 기술 (전 세계 12개 연구실에 동시에 데이터 공급)
• 시민 과학을 실제 최첨단 양자 실험에 통합하는 새로운 모델 제시

3. 구체적인 규모 (2016년 11월 30일)

• 참여자: 약 100,000명 (“Bellsters”라고 불림)
• 생성된 인간 선택: 97,347,490개의 이진 선택 (9천만 개 이상의 비트)
• 실험: 13개 (12개 연구실, 5개 대륙)
• 데이터 흐름: 12시간 동안 초당 1,000비트 이상 지속 공급

4. 역사적·철학적 의미

BIG Bell Test는 단순히 loophole를 하나 더 막은 것이 아닙니다.

• 인간의 자유 의지를 과학 실험의 핵심 요소로 처음으로 대규모로 활용했습니다.
• “측정 설정이 미리 정해져 있었다”는 초결정론(Superdeterminism) 주장을, 인간의 예측 불가능한 행동으로 직접적으로 반박한 최초의 대규모 실험입니다.
• 이후 loophole-free Bell test 연구와 Cosmic Bell Test 연구의 중요한 레퍼런스가 되었습니다.

요약

BIG Bell Test가 남긴 가장 큰 과학적 유산은:

인간의 자유로운 선택을 이용해 ‘자유 선택 loophole’을 폐쇄하고, 국소 실재론을 실험적으로 강력하게 기각한 최초의 글로벌 규모 연구라는 점입니다.

이 프로젝트는 양자역학의 가장 깊은 철학적 논쟁을 일반 시민이 직접 참여하는 형태로 해결하려 한, 매우 독창적이고 의미 있는 시도였습니다.

코펜하겐 해석	Bohr, Heisenberg	관측 시 파동함수 붕괴, 확률론적	실용주의적
다세계 해석 (Many-Worlds)	Hugh Everett	파동함수 붕괴 없음, 모든 가능성이 실현	결정론적, 관측자도 양자계 일부
보흐미안 역학	de Broglie, David Bohm	입자는 항상 실제 위치, 파일럿 웨이브가 안내	결정론적, 비국소적
QBism	최근 학자들	양자 확률은 주관적 신념	주관주의

과학자들은 결국

“현실이란 무엇인가?”,

“측정이란 무엇인가?”,

“우주는 결정론적인가?”라는 철학적 질문에서 갈라졌습니다.

https://cafe.daum.net/panicbird/H7bB/329

놓아버림 평화 - 데이비드 호킨스

아원자 입자연구로 밝혀진 사실은 

아원자 입자는 

보통 의미의 사물이 아니라 

에너지의 주파수가 가져오는 결과로 일어나는 

'사건'이라는 점이다. 

이제 과학에서는 

시간과 공간을 초월하는 

주파수의 존재도 상정한다. 

실험실에서 수행된 

수많은 연구에 의해 

우리의 뇌가 

주파수 패턴을 정교하게 

수학적으로 분석해 

지각한다는 사실이 

입증되었다. 

이런 연구결과로 나온 것이 이른바

홀로그램 패러다임으로 

우주 만물은 인간의 마음을 포함한 

다른 만물과 연결되어 있다는 내용이다. 

그 결과 

개별적인 마음은 

전 우주를 반영할 수 있다. 

의식과 과학간의 이 같은 관계가 분야 하나를 이루어 급속히 관심을 모으고 있다. 그런 관심을 반영해 출간된 책으로는 

"홀로그램 패러다임 the holographic paradigm", 

전체와 접힌 질서 wholeness and the implicate order, 

현대물리학과 동양사상 the tao of physics, 

춤추는 물리 dancing wu-li masters, 

유념하는 우주 mindful universe, 

정신에너지 과학 psychoenergetic science 

등이 있으며, 발표된 글로는 장의식과 현실을 보는 새로운 관점 field consciousness and the new perspective on reality, 접히고 펼쳐지는 우주 "the enfolding-unfolding universe" 홀로그램 모형, 물리학과 신비주의, 영매, 신비주의자, 물리학자 등이 있다. 

가장 중요한 연구자들로는 스탠포드 대학교 신경과학자 칼 프리브람, 런던 대학교 물리학자 데이비드 봄이 있다. 그들의 이론은 이렇게 요약할 수 잇다. 

"우리의 뇌는 

또 다른 차원에서 오는 주파수를 해석함으로써 

구체적 현실을 수학적으로 구축하는데, 

그 차원이란 시간과 공간을 초월하고, 

유의미하고, 패턴을 형성하는 최초 현실의 영역이다. 

즉 

뇌는 

일종의 홀로그램으로 

홀로그램적 우주를 

해석하는 것이다"

흥미로운 것은 

이른바 좌뇌 활동의 산물인 

고급 이론 물리학 이론을 이해하려면 

새로운 맥락이 필요하다는 점이다. 

좌뇌 성향의 과학자들에 의해 

진화중인 맥락이 

우뇌기능을 대변하는 

신비주의자들이 목격한 현실과 

일치한다. 

그러니 

산을 오를 때 

어느쪽을 선택하든 

우리는 동일한 지점에 이른다. 

산의 정상이다. 

산을 오르는 세번째 경로는 

"항복기제를 통하는 것'

이다. 

우리에게는 

현실의 궁극적 본질을 

몸소 확인할 기회가 있다. 

여기서 말하는 현실은

 신비주의자나 물리학자가 발견한 것과 

동일하다. 

예상할수 있는 것은 

항복할때마다 

한발짝 더 산을 오르게 될 것이라는 점이다. 

우리 중 일부는 

올라가다 좋은 전망을 발견하면 

거기서 발길을 멈춘다. 

다른 사람들은 더 올라간다. 

그리고 

우리 중에는 정상에 도달해 

그것을 몸소 확인하고서야 

만족하는 사람들이 있다. 

다만 

그 지점에는 

어떤 것을 확인할 개인은 

존재하지 않는다. 

그 개인을 

완전히 

항복했기 때문이다.