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연기없이 타는 불 "우주의 구조"브라이언 그린
하이젠베르크의 불확정성원리에 의하면, 이 주주에는 정확한 값으로 동시에 존재할 수 없는 물리량 (입자의위치와 속도, 또는 여러 개의 축에 대한 입자의 스핀 등) 들이 존재한다.
양자역학에 의하면 모든 입자는 정확한 위치와 정확한 속도를 동시에 가질 수 없으며 두개의 이상의 축에 대하여 정확한 스핀성분(시계방향 또는 반시계방향)을 도이에 가질 수 없다. 일반적으로 , 모든 입자는 불확정성의 쌍을 이루는 모든 양들을 동시에 정확한 값으로 갖고 있을 수 없다.
입자는 모호하고 불규칙적인 양자적 세계에서 모든 가능성을 간직하고 있는 희한한 존재이다. 그러나 우리가 입자의 물리적 특성을 측정하면, 입자는 희한한 성질을 귀신같이 감추고 그 많은 가능성들 중에서 단 하나의 명확한 값을 우리에게 보여준다. 두말할 것도 없이 이것은 고전적인 물리학의 세계와 전혀 딴판이다.정말이지 달라도 너무 다르다.
양자역학에 대하여 회의적인 생각을 버리지 않았던 아인슈타인은 포돌스키, 로젠과 함께 양자역학의 특이한 성질을 반박의 무기로 삼았다. 그들은 양자역학이 입자의 위치와 속도를 동시에 알아내지 못함에도 불구하고 입자는 정확한 위치와 속도라는 속성을 갖고 있다고 주장했다.(뿐만아니라 입자는모든 축에 대한 스핀성분도 정확하게 갖고 있고, 불확정성의 쌍을 이루는 모든 양들을 정확한 갑ㅎ으로 갖고 있다고 주장했다. 이런 이유로 양자역학은 물리적 실체를 다루지 못하는 불환전한 물리학이라는 것이 EPR이 내세운 반박의 요지였다.
그후로 오랜 세월동안 이런 반박은 물리학 문제라기 보다 형이상학적 철학문제로 부각 되면서 수많은 논쟁을 불러일으켰다. 파울리가 지적한 대로, 양자적 불확정성에 가려서 어떤양을 측정할수 없다면 그것이 숨겨진 실체로 존재하는 것과 아예 존재하지 않는 것 사이에 무슨 차이가 있겠는가? 상황이 여기서 끝났다면 이 문제는 영원한 미궁으로 빠졌을 것이다.그러나 존 벨이 실험적인 검증방법을 찾아내면서 문제는 다시 물리학으로 되돌아왔다. 물리적실체에 대한 EPR의 주장은 본견적인 시험대에 오르게 되었다.만일 주장이 옳았다면 멀리 떨어져 있는 두대의 스핀의측정장치 (임으로 설정한 축에 대하여 입자의 스핀성분을 측정하는 장치)로 전자의 스핀을 여러 번 반복 측정했을 때, 이들의 눈금이 서로 일치하는 경우는 전체 시행횟수의 50%를 넘어야 한다.
벨이 그 유명한 아이디어를 떠올린 것은 1964년의 일이었다. 그러나 당시에는 실험을 구현할 만한 장비가 없어서 역사적인 검증은 뒤로 미루어졌다. 그후 1970년 초반에 버클리 프리드만 과 클라우저가 처음으로 실험에 성공하였고 택사스대학의 프라이와 톰슨이 프리드만의 실험결과를 재확인하였으며, 1980년대에 프랑스의 알랭 아스펙과 그의 동료들은 최신장비를 동원하여 더욱 정밀한 실험을 구현 하였다. 아스펙은 두감지기 사이의 거리를 13m로 세팅하고 그 중간지점에 놓인 칼슘 워자 컨테이너로 부터 광자를 발사하였다. 개개의 칼슘원자는 두 개의 광자를 양쪽 방향으로 방출하면서 안정된 상태를 찾아가는데, 이때 방출된 광자들은 서로 완벽하게 연관되어 있다. 즉 아스펙은 전자 대신 광자를 실험대상으로 삼은 것이다.
이 실험에서 감지기를 똑같이 세팅한다면(동일한 축에 대한 스핀을 측정하도록 설정해 둔다면)두 광자의 스핀은 항상 동일한 값을 나타낼 것이다.그러나 벨이 제안했더 실험의 핵심 포인트는 두 감지기의 세팅 상태를 무작위로 바꾸는데 있다. 무론 아스펙도 이런식으로 실험을 진행시켰다. 과연 어떤 결과가 나왔을까? 놀랍게도 두 대의 감지지가 동일한 스핀값을 나타내는 경우는 전체 시행횟수의 50%를 넘지 않았다.
아스펙의 실험결과가 알려지면서 물리하계는 지구가 흔들이는 듯한 충격에 빠졌다. 그것은 진정 물리학사에 길이 날을 위대한 실험이었다. 그러나 여기에는 아직 미묘한 구석이 남아있다. 왜 ㅡ그럴까? 그 점에 대해서 잠시 생각해보자 아스펙의 실험결과에 의하면 EPR의 주장은 틀린 것으로 판명된다. 이론적으로 틀린것이 아니라 직접적인 실험을 통해 오류가 입증된것이다. "불확정성의 원리에 의해 그 실체가 가려져 있지만 모든 입자는 명확한 특성(임의의 축에 대한 스핀)을 갖고 있다"고 주장했고, 그것을 입증하는 논리도 제시했다. 그런데 왜 실험에서는 반대의 결과가 나온 것일까?
EPR은 어느 부분에서 오류를 범한 것일까? 그들이 펼친 논리의 저변에는 커다란 가정이 깔려 있다. "임의의 순간에 물체 A의 특성을 측정하여, 그와 떨어져 있는 다른 물체 B의 특성을 간접적으로 알아낸다면 물체B가"간접적 으로 알아낸다면 물체B"간접적ㅇ로 밝혀진 "그 특성을 계속해서 간직한다"는 가정이 바로 그것이다. 기존의 상식으로 미루어 볼때 이 가정이 성립하지 않을 이유는 없을 것 같다. 당신이 "여기'에서 A의 특성을 측정하여, 그와 떨어져 있는 다른 물체B의 특성을 간접저으로 알아낸다면 물체B는 "간접적으로 밝혀진" 그 특성을 계속해서 간직한다"는 가정이 바로 그것이다 .
기존의 상식으로미루어볼 때 이 가정이 성립하지 않을 이유는 없을 것 같다. 당신이 "여기"에서 A의 특성을 관측하는 동안, B는 멀리 떨어진 "저기"에서 자신의 길을 가고 있다 A와B가 서로 영향을 주고 받는다 해도 (예를 들어 A가 자신의 스핀을 측정 당하는 순간 B에게 '이봐! 방금 인간들에게 내 스핀 값을 들켰어 우리가 한 가족임을 보여 주려면 너도 나랑 같은 스핀을 가져야해 내스핀은 지금 수직축을 중심으로 시계방향이니까 너도 빨리 시계방향으로 돌아가는 모습을 보여주라구"라는 신호를 보낸다 해도) 그 신호가 상대방 에게 도달하려면 최소한 빛이 그들 사이를 가로지르는데 필요한 시간이 소요된다. 그런데 EPR의 놀리나 실제 실험에서는 A와 B의 특성을 동시에 측정할 수 있다. 따라서 A를 측정하는 순간에 (또는 그 직후에)갑자기 나타난 게 아니라 원래부터 B에 내재되어 있는 속성이어야 한다
우리가 온갖 장비를 동원하여 A를 아무리 못살게 해도 , B의 속성은 이로부터 아무런 영향도 받지 않는다, 간단히 말해서, EPR의 핵심은 당신이 "여기"에 있는 물체에게 무슨 짓을 하건, "저기"에 있는 물체는 아무런 관심도 갖지 않는다. EPR의 생각이 맞는다면 두 대의 갑지기가 같은 결과를주는 경우는 전체 시행횟수의 반을 넘어야 한다.그러나 아스펙의 실험결과는 그렇지 않았다. 그러므로 우리는 EPR이 은연중에 세운 가정이 틀렸음을 인정할 수 밖에 없다. 그 가정이 아무리 그럴듯하다 해도, 좌우지간 우리가 살고 있는 우주에는 적용되지 않고 있는 것이다. 따라서 우리가 내릴 수 있는 결론은 다음과 같다.
당신이 여기에 있는 물체에게 무슨 짓을 하면,"저기"에 있는 물체는 지대한 관심을 갖는다! 양자역학에 의하면 우리가 물체를 측정할 때마다 물체는 자시의 특성을 무작위로 보여준다고 하지만, 그 무작위라는 것은 이렇듯 공간을 가로 질러 "얽힌 입자"라 한다. 우리에게 측정 당했을 때 나타내는 값들은 상호 독립적이지 앟다. 애트랙틱시티와 라스베가스에서 각각 주사위를 굴렸는데 그 결과가 항상 일치한다면 이 한쌍의 주사위는 마술을 부리고 있는 것이 분명하다.그런데 얽힌 입자들에게 이것은 마술이 아니라 일상생활이다.
이들은 아무리 멀리 떨어져 있어도 결코 독자적인 행동을 하지 않는다. 아인슈타인과 포돌스키, 그리고 로젠의 목적은 양자역학이 불완전한 이론임을 입증하는 것이었다. 그러나 반세기가 지난 후 이론적인 보강과 영감어린 실험이 이루어지면서 EPR의 논리 중 가장 기본적이고 고전적인 부분에 오류가 있었음을 알게 되었다.
이 우주는 그들의 생각처럼 국소적이지 않았다. 한 장소에서 우리가 행한 행위의 결과는 다른 장소와 긴밀하게 연결되어 있었으며, 그렇다고 두 장소 사이에 모종의 신호가 오가는 것도 아니었다. 이처럼 즉각적인 장거리 상호관계가 가능하려면 입자는 서로 연관된 속성을 미리부터 갖고 있어야 한다는 것이 EPR의 주장이었으나 그들의 논리는 실험에 의해 잘못되었음이 입증되었고, 결국 물리학자들은 우주가 비국소적임을 인정해야만 했다.
1997년, 제네바 대학의 니콜라스 기신과 그의 동료들은 두 감지기 사이의 거리를 11km까지 띄워 놓고 아스펙의 실험을 재현하였다.물론 실험결과는 전과 동일했다.
광자의 파장과 비교할때 11km는 실로 엄청나게 먼 거리이다. 이 정도면 광자들 사이의 상호연관성이 공간을 추월하여 전달된다는 것을 사실로 받아들여야 한다.
"두 물체가 양자적으로상호 연관되어 있으면 그 영향은 공간을 초월하여 즉각적으로 전달된다"
이것은 수 많은 물리학자들이 각고의 력 끝에 얻은 결론이긴 하지만 쉽게 납득이 가지 않는다. 그러나 실험적 증거가 있는 한, 우리는 이사실을 부정할 수 없다. 물리학자들은 이 현상을 가리켜 ' "양자적 얽힘"이라고 부른다. 두개의 광자 A.B가 서로 얽혀 있을때 특정 축에 대하여 A의 스핀을 측정하면 멀리 떨어져 있는 광자B에게 즉각적으로 영향력을 행사하여, 파동확률로 존재하던 B의 특성이 단 하나의 명확한 값(A를 측정하여 얻은 값과 동일한 값)으로 탈바꿈한다는 것이다. 제아무리 열린 사고를 가진 사람이라 해도 쉽게 수긍이 가지는 않을 것이다."
푸른불꽃
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