양자 결맞음과 관측의 미스터리: 세상은 누가 볼 때만 결정될까?

양자 결맞음과 관측의 미스터리: 세상은 누가 볼 때만 결정될까?

양자역학이라는 단어를 들으면 가장 먼저 어떤 이미지가 떠오르시나요? 아마도 상자 속에 갇힌 죽었는지 살았는지 모를 고양이 이야기가 생각나실 겁니다. 양자역학의 세계에서는 입자가 파동처럼 행동하며 여러 상태가 겹쳐 있는 기묘한 현상이 일어납니다. 이를 양자 결맞음, 영어로는 퀀텀 코히런스라고 부릅니다.


그런데 우리가 그 입자를 쳐다보는 순간, 즉 관측을 하는 순간 이 신비로운 상태는 깨져버리고 입자는 하나의 위치로 결정됩니다.


도대체 관측이란 무엇일까요? 사람의 눈으로 봐야만 관측일까요, 아니면 카메라가 찍기만 해도 관측일까요? 오늘은 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼 중 하나인 양자 결맞음과 관측, 그리고 이 둘 사이의 숨겨진 비밀인 결어긋남 현상에 대해 자세히 알아보겠습니다.

양자 결맞음과 관측의 미스터리: 세상은 누가 볼 때만 결정될까?

양자 결맞음, 가능성이 춤추는 상태

먼저 양자 결맞음이라는 용어부터 이해해 볼까요? 양자역학의 세계에서 전자나 광자 같은 미시 입자들은 입자이면서 동시에 파동인 성질을 가집니다. 잔잔한 호수에 돌을 던지면 물결이 퍼져나가듯이 입자도 확률의 파동 형태로 존재합니다. 이때 파동들이 서로 간섭하며 질서 정연하게 연결된 상태를 양자 결맞음 상태라고 합니다.


쉽게 비유하자면 동전이 빠르게 회전하고 있는 상태와 같습니다. 회전 중인 동전은 앞면일 수도 있고 뒷면일 수도 있는 두 가지 가능성을 동시에 품고 있습니다. 이처럼 여러 상태가 중첩되어 동시에 존재하는 것이 바로 양자 결맞음의 핵심입니다. 이 상태가 유지되는 동안 입자는 벽을 통과하기도 하고 동시에 두 구멍을 지나가는 마법 같은 일을 벌입니다.

관측의 순간, 파동이 붕괴하다

그런데 문제는 우리가 이 입자를 확인하려고 할 때 발생합니다. 우리가 전자가 어디 있는지 확인하는 순간, 회전하던 동전이 탁 하고 쓰러져 앞면이나 뒷면 중 하나로 결정되는 것처럼 전자의 위치도 딱 하나로 고정됩니다. 물리학자들은 이것을 파동 함수의 붕괴라고 부릅니다.


여기서 많은 분이 궁금해하는 지점이 생깁니다. 관측이라는 행위가 도대체 무엇이기에 물리적 상태를 변화시키는 걸까요? 과거 코펜하겐 해석이 주류를 이루던 시절에는 관측자가 결과를 확인하는 행위 자체가 중요하게 여겨졌습니다. 그래서 의식을 가진 인간이 봐야만 파동이 붕괴하는 것인가 하는 철학적인 논쟁까지 이어지기도 했습니다. 하지만 현대 과학이 밝혀낸 진실은 조금 더 물리적이고 구체적입니다.

관측의 진짜 의미는 상호작용

현대 양자역학, 특히 양자 결어긋남 이론에서 말하는 관측은 단순히 누군가 쳐다보는 것을 의미하지 않습니다. 여기서 관측의 본질은 바로 주변 환경과의 상호작용입니다.


우리가 어떤 사물을 본다는 것은 빛 알갱이인 광자가 그 사물에 부딪혀 튕겨 나온 뒤 우리 눈에 들어오는 과정입니다. 즉, 보기 위해서는 반드시 건드려야 합니다. 미시 세계의 입자는 너무나 작고 예민해서 광자 하나와 부딪히는 것만으로도 엄청난 충격을 받습니다. 이 충격으로 인해 질서 정연하던 파동의 결이 헝클어지게 되는데, 이를 양자 결어긋남(Quantum Decoherence)이라고 합니다.

결어긋남이 일어나는 과정

양자 결맞음이 깨지는 과정, 즉 결어긋남은 다음과 같은 매커니즘으로 설명할 수 있습니다.

• 정보의 유출: 양자 시스템이 주변 환경(공기 분자, 빛, 열 등)과 부딪히면 시스템이 가지고 있던 양자 정보가 주변으로 새어 나갑니다.

• 파동성의 상실: 외부 입자들과의 충돌은 마치 잔잔한 호수에 수많은 돌을 무작위로 던지는 것과 같습니다. 이로 인해 파동의 위상이 뒤섞이면서 중첩 상태를 유지하던 결맞음 성질이 사라집니다.

• 고전적 상태로의 전환: 결맞음이 깨지면 입자는 더 이상 파동처럼 행동하지 않고 우리가 익숙한 당구공 같은 입자처럼 행동하게 됩니다.

따라서 관측은 인간의 눈이 아니라 환경과의 상호작용 그 자체를 의미합니다. 지나가던 공기 분자 하나가 전자와 부딪히는 것도 양자역학적 관점에서는 관측이 될 수 있습니다. 그 충돌로 인해 전자의 위치 정보가 환경에 남게 되기 때문입니다.

양자 결어긋남

왜 우리 눈에는 양자 현상이 보이지 않을까

이 이론은 왜 거시 세계에서는 양자 현상이 일어나지 않는지를 명쾌하게 설명해 줍니다. 우리 몸이나 야구공, 자동차 같은 큰 물체들은 셀 수 없이 많은 원자로 이루어져 있습니다. 이들은 끊임없이 주변의 공기, 빛, 열과 상호작용하고 있습니다.


지금 이 순간에도 여러분의 몸은 조명등에서 나온 광자, 주변을 떠도는 공기 분자와 1초에도 수조 번 이상 충돌하고 있습니다. 즉, 거시 세계의 물체는 찰나의 순간도 없이 끊임없이 관측당하고 있는 셈입니다. 아주 강력하고 빠른 상호작용 때문에 양자 결맞음 상태가 만들어지자마자 즉시 깨져버립니다. 이것이 우리가 벽을 통과하거나 몸이 두 곳에 동시에 존재하는 양자 현상을 경험하지 못하는 이유입니다.

슈뢰딩거의 고양이는 죽었을까 살았을까

이제 다시 그 유명한 고양이 이야기로 돌아가 볼까요? 상자 속의 고양이가 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태가 가능한가에 대한 질문에 결어긋남 이론은 이렇게 대답합니다. 고양이 자체가 이미 거대한 거시 물체이며, 고양이의 털 하나하나, 숨 쉴 때의 공기 흐름, 상자 내부의 열복사 등이 끊임없이 상호작용하고 있습니다.


따라서 상자를 열어보기도 전에 이미 상자 내부에서는 환경과의 상호작용으로 인해 결어긋남이 발생했고, 고양이는 생과 사 중 하나의 상태로 확정되어 있습니다. 단지 우리가 상자를 열어 확인하지 못했을 뿐, 양자역학적인 중첩 상태는 이미 깨진 지 오래라는 것이죠.

양자 컴퓨터와 결맞음의 유지

이 원리는 현대 과학 기술의 정점인 양자 컴퓨터 개발에 있어서 가장 중요한 과제이기도 합니다. 양자 컴퓨터가 엄청난 연산 속도를 내기 위해서는 큐비트라고 불리는 정보 처리 단위가 양자 결맞음 상태를 오랫동안 유지해야 합니다.

• 극저온 환경: 열에너지는 분자의 진동을 만들어 결맞음을 깹니다. 그래서 양자 컴퓨터는 절대 영도에 가까운 극저온에서 작동합니다.

• 진공 상태: 공기 분자와의 충돌을 막기 위해 철저한 진공 상태를 유지해야 합니다.

• 차폐 기술: 외부의 전자기파나 진동이 들어오지 못하도록 완벽하게 격리해야 합니다.

이 모든 노력은 외부와의 상호작용, 즉 의도치 않은 관측을 막아 결어긋남을 지연시키기 위함입니다. 아주 짧은 시간이라도 외부와 단절된 고요한 상태를 만들어야만 양자 컴퓨터는 비로소 그 마법 같은 계산 능력을 발휘할 수 있습니다.

양자컴퓨터

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지식의 우주 코멘트

결국 관측이란 누군가의 시선이 닿는 것이 아니라, 우주의 입자들이 서로 부대끼고 정보를 주고받는 자연스러운 소통 과정이었습니다. 내가 보지 않아도 세상은 끊임없이 서로를 관측하며 형태를 만들어가고 있었네요. 우리도 거대한 우주의 일부로서 매 순간 주변과 상호작용하며 이 현실을 단단하게 만들고 있는 것 아닐까요? 보이지 않는 곳에서도 끊임없이 서로의 존재를 확인하는 입자들의 대화가 새삼 경이롭게 느껴집니다.