우주의 구조3 - 양자론과 시간

 

 

희한하지요...양자의 세계는 우리의 직관과 달라도 너무 달라서 말이죠. 내용을 이해는 하되, 그것을 받아들이는 것은 쉽지 않죠.

한 입자가 두 장소에 동시에 존재할 수 있는가?

미래의 사건이 과거의 사건에 영향을 미칠 수 있는가?

 

다양한 슬릿실험을 통해 관찰한 양자의 특징은 도저히 우리의 직관으로는 받아들일 수가 없다. 슬릿을 통과하기전에 전자나 광자를 관측하면 스크린에 간섭현상이 나타나지 않는다. 관측당한 양자가 슬릿을 지난 후 경로지우기를 통해 조작을 가하면, 다시 간섭무늬가 나타난다. 양자가 어떤 경로를 통해 왔는지가 밝혀지면 양자는 더 이상 파동처럼 행동하지 않고 입자처럼 행동한다. 하지만 다시 그 경로를 지워버리면 다시 파동처럼 행동한다.

 

양자가 슬릿을 통과한 후 시간이 꽤 지난 후, 하지만 스크린에 도착하기 전에 관측을 하면 어떻게 될까? 양자는 슬릿을 통과할 때 이미 두 슬릿을 동시에 통과했겠지. 그리고 시간이 지난 후에 양자를 관측하면, 이 양자는 자신이 두개의 슬릿을 동시에 통과하지 않은 것처럼 행동을 한다. ??? 즉 스크린에 간섭무늬가 나타나지 않는다.

 

광자를 가지고 한 실험도 흥미롭우면서도 괴상한 결과를 가져온다.

광자분리기를 통과한 후, 다시 이 광자는 낮춤변환기를 통과한다. 이 변환기를 통해 광자는 1/2의 에너지를 가진 신호광자와 또 다른 광자(공전광자)로 분리된다. 이 신호광자에 영향을 주지 않고 공전광자를 관찰하면 어떻게 될까? 간접적으로라도 그 경로가 드러나게 된 광자는 더 이상 간섭무늬를 만들지 않는다. 그러면 신호광자가 스크린에 도착한 후 공전광자를 관찰하여 신호광자의 경로를 스크린에 도착한 후 알게 된다면 어떻게 될까? 예를 들어 10광년 떨어진 곳에 공전광자를 관측할 수 있는 장비를 설치하여 그것을 관측함으로 이미 10년전에 스크린에 도착한 광자의 경로를 10년 후에 파악한다면, ... 그 10년전의 광자는 간섭무늬를 만들까? 만들지 못할까? ㅋㅋ

미래의 사건이 과거의 사건에 영향을 줄 수 있을까? 브라이언은 그렇다고 말한다...괴상망측하다.

시간의 동시성, 그리고 공간과 시간의 관계는 요지경인데, 과연 브라이언의 말을 모두 믿을 수 있단 말인가?

우리가 살고 있는 우주는 비국소적인 특성을 가지고 있다. 위의 실험은 시간과 공간을 초월하여 두 개의 사건이 서로 얽혀 있음을 주여준다.

브라이언도 이에 대해 다음과 같이 말한다. "일상적인 경험으로 미루어 보면 말도 안 되는 결론이지만, 우리의 우주는 이와 같이 '말도 안되는' 방식으로 운영되고 있다."

 

양자적 관측이 양자적 실체에 영향을 미치는 것일까? 어떻게 관측이라는 행위가 실체에 영향을 미칠 수 있는가? 양자적 관측과 양자적 실체에 대한 구구한 설명이 존재한다. 그 중 하나가 휴 에버렡가 제안했던 다중우주 해석이다. 또한 데이비드 보옴은 모든 물체는 입자이면서 '동시에' 파동으로 간주된다. 파동함수가 입자 자체가 상호작용하면서 입자의 운동을 '인도'하거나 '강제'하고 있으며, 한 지점에서 발생한 파동함수의 변화는 즉각적으로 멀리있는 다른 입자에 영향을 줄 수 있다고 생각했다. 입자는 슬릿하나만 통과한다. 하지만 입자의 파동함수는 두 개의 슬릿을 동시에 통과한다. 파동함수는 입자의 운동을 인도함므로 파동함수의 값이 큰 곳일수록 입자가 도달할 확률이 커진다.

현대 최고의 물리학자로 손꼽히는 파인만...그는 전자나 광자의 슬릿실험에 나타난 간섭무늬를 통하여 놀랍고도 괴상하기 짝이 없는 아이디어를 내 놓았다. 개개의 원자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과하여 스크린에 도달했다는 것은, 한 전자의 과거지사가 슬릿을 통과하는 순간부터 두 개로 분리되어 동시 진행되어 왔다는 것을 의미한다. 즉 하나의 전자는 '왼쪽 슬릿을 통과해 온 과거' 와 '오른쪽 슬릿을 통과해 온 과거'를 동시에 갖고 있으며, 스크린에 나타나는 간섭무늬(전자의 현재모습)는 두 종류의 과거지사에 똑같이 영향을 받는다는 것이다. 파인만의 논리를 간단히 설명하면 다음과 같다 - 하나의 결과가 여러가지 방법으로 나타날 수 있는 경우, 모든 가능한 사건들은 동시에 진행된다. ㅍ인만은 이 모든 '가능한 경우'들이 최종결과가 나타날 확률에 나름대로 기여하고 있으며, 각각의 확률을 모두 더한 결과는 양자역학이 예견하는 총 확률과 정확하게 일치한다는 것이다. 파인만이 '모든 과거의 합'이라고 불렀던 이 계산법은 확률파동이 모든 가능한 과거에 골고루 내재되어 있다는 것을 보여 주었으며, 그로 인해 양자역학이 말하는 과거의 개념은 가히 혁명적인 변화를 겪게 되었다. ???

 

의견) 등속운동을 하는 관측자들의 시공간 단면들은 서로에 대해 일정한 각도로 기울어져 있다. -> 정지해 있는 관측자가 측정하는 시간과 그에 대해 등속운동을 하는 관측자가 측정하는 시간은 다르다. 등속운동을 하는 관측자에게 5분의 시간이 지날 때, 정지한 관측자의 시간이 10분 지난다면, 등속운동 10분이면, 정지시간 20분, 15분이면, 30분...점점 시간의 격차는 크기고, 시공간 단면은 일정한 각도로 기울어져 있는 것이 아니라 점점 기울기가 달라져야 할 것으로 추정되는데...결국은 기울기가 45도를 넘어서게 되는 순간이 오게되면....브라이언의 설명은 뭔가 맞지 않는 것 같다....

 

의견2)혹성탈출에서처럼 먼 우주를 여행하고 돌아온 여행자의 시간은 얼마 흐르지 않았는데, 지구에서의 시간은 엄청지나, 결국 그 여행자는 미래의 세계로 돌아온 셈이 된다. 여행을 떠나기전 시공간 단면과 우주 여행시의 시공간 단면, 그리고 다시 지구로 귀환했을 때의 시공간 단면은 어떤 관계에 있을까?

 

의견3)정지한 관측자에 대해 상대적 등속운동을 하는 관측자의 시간이 느리게 간다면,... 역으로 생각해 보자. 정지한 관측자는 운동을 하고 있는 관측자에 대해 상대적 운동을 하고 있는 셈이다. 그러면, 정지한 관측자의 시간은 운동하고 있는 관측자의 시간보다 느리게 흘러야 한다. 누구의 시간의 느리게 가는 걸까?