우주의 구조2 - 양자편

4장 얽혀 있는 공간

 

양자 세계에 있어서의 공간의 비국소성- 아인쉬타인은 즉각적으로 전달되는 영향을 "유령 spooly"이라는 단어에 비유하기도 했는데, 브라이언 자신도 '지금까지 실험으로 확인된 물리적 사실들 중에서 이 우주가 국소적이지 않다는 것을 가장 황당무계한 사실로 꼽고 싶다'고 말하고 있다.

 

개개의 입자들은 파동적 성질을 가지고 있다. 슈뢰딩거는 "전자는 공간의 일정 영역 안에 '퍼진 채로' 존재하며 그 존재 자체가 파동이다"라는 가설을 제안했다. 하지만 전자는 결코 분해되지 않으며, 전자의 모든 질량과 전하는 공간상의 아주 작은 영역 속에 밀집되어 있기 때문에 이 가설은 현실성이 없다.

1927년 막스보른은 파동의 정체는 공간에 퍼져 있는 전자가 아니라 '확률파동'이라는 해석을 내 놓았다. "공간상의 한 지점에서 주어진 파동의 크기는 그 지점에서 전자를 발견할 확률에 비례한다"는 것이 보른의 생각이었다. 양자역학에 의하면 아무리 작은 입자라 해도 그 확률파동은 우주 전역에 걸쳐 퍼져있다. 그러나 대부분의 경우에 입자의 확률파동은 금방 0으로 사라지고 아주 작은 영역안에서만 0이 아닌 값을 갖게된다. 그러므로 양자역학을 수용한다면 모든 물질의 기본적 구성요소이자 거의 점입자로 간주해 왔던 전자 하나가 우주 전체에 걸쳐 퍼져 있다는 것을 사실로 받아들여야 한다.

 

불확정성원리...불확정성원리는 진리에 대하여 우리가 알 수 있는 한계를 설정한 것인가? 아니면 그 한계라는 것이 진리, 그 자체인가? 양자역학의 불확정성 원리가 '두가지를 동시에 정확하게 아는 것'이 불가능함을 선언했음에도 불구하고 물체의 진정한 속성은 여전히 그 곳에 존재하는가? 아니면 불확정성원리가 주장하는 대로, 임의의 순간에 한 입자는 명확한 위치와 속도를 동시에 갖지 않는가?

 

이 문제에 대한 EPR의 요지는 "양자역학의 이론적 예견치가 실험결과와 정확하게 일치하는 것은 사실이지만, 양자 역학 자체는 미시세계를 서술하는 궁극적인 이론이 될 수 없다"는 것이다. 양자역학은 엄연히 존재하는 실체를 알아내지 못하기때문에 불완전한 이론일 수 밖에 없다는 것이다. 그리고 데이비드 보움도 "입자의 실체가 눈에 보이지 않는다고 해도 여전히 그곳에 존재한다"라고 주장했다. 이렇게 눈에 보이지 않는 특성을 "숨은 특성" 또는 "숨은 변수"라고 한다. 입자의 실체가 있는가? 아니면 확률파동으로만 이해해야하는가? 대충돌이다.

 

1964년 벨은 위의 문제의 검증에 대한 아이디어를 생각해 냈다. 1970년에 버클리대학의 프리드만과 클라우지가 성공적으로 실험에 성공, 1980년대에프랑스의 알랭 아스펙과 동료들이 정밀한 실험을 구현하였다. 결과는 "두 물체가 양자적으로 상호연관 되어 있으면 그 영향은 공간을 초월하여 즉각적으로 전달된다"는 것이다. 이 현상을 '양자적 얽힘'이라고 부른다. 이와 같은 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.

 

양자적 얽힘과 특수상대성이론 사이의 괴리를 어떻게 설명해야 할까? 

어쨌든 양자얽힘과 공간의 비국소성은 우리의 공간에 대한 개념을 확뒤집어 놓는 개념이라...