양자의 최신 연구와 인과율의 붕괴?
Quantum Physics
지난번에는 '양자'와 '의식'이 무관하다고 할 수 없는 실증실험을 소개했습니다(*1). 최근 양자역학에 대한 관심도 높기 때문에 이번에도 다루어 보겠습니다. 지금까지 알려진 양자의 신비한 성질을 정리해 보면, 먼저 양자(광자나 전자와 같은 물질의 최소 단위)는 '입자의 성질'과 '파동의 성질'을 모두 가지고 있는 '이중성'이라는 성질을 가지고 있습니다(그림 참조).
- 광자는 더 이상 분해할 수 없는 1개(양자)로 분리할 수 있다.
- 광자를 1개의 슬릿에 1개씩 조사하면 입자로 행동한다(이미지 1A).
- 광자를 2개의 슬릿에 조사하면 1개의 광자가 2개의 슬릿을 동시에 통과한 것처럼 행동한다(파동성 : 이미지 1B).
- 또한, "광자가 어느 슬릿을 통과했는지 관찰"하려고 하면 파동성은 사라지고 입자처럼 행동한다(그림 C).
이처럼 먼저 '빛은 입자인가? 파동인가? 라는 논쟁으로 시작하여, 고전 물리학의 개념을 깨고 '빛은 입자이기도 하고 파동이기도 하다'라는 이중성에 관한 논의를 수렴해 나갔습니다(*2). 다만, '1 개의 광자가 어느 쪽을 통과했는가? 를 관찰하려고 하면 파동의 성질이 사라지는 이상한 현상이 일어납니다(*3, *4).
이에 대해 '기계적으로 관찰하는 것'이 양자의 성질을 바꾸는 것인지, '관찰하려는 인간의 의식'이 양자의 성질을 바꾸는 것인지, 아니면 또 다른 요인이 영향을 미치는 것인지에 대해 많은 논쟁이 있었습니다. 이에 대해 최근 '사람의 의식이 양자의 성질에 변화를 줄 수 있는가'에 대한 실험이 진행되었습니다(그림 5).
이 실험의 개요는 다음과 같습니다.
- 1500명 이상이 참여하여 이중 슬릿 실험장치에 의식을 향하게 했다(이미지 2A).
- 인간의 의식이 향하면 그 시간에 맞춰 변화가 나타났다(이미지 2B).
- 인간의 의식으로 양자의 파형 그래프 전체에 변화가 나타났다(이미지 2C).
- 사람이 아닌 컴퓨터의 모니터링에서는 변화가 나타나지 않았다(이미지 2B/C).
- 참가자들은 수 킬로미터~수천 킬로미터 떨어져 있어도 거리에 상관없이 변화가 나타났다.
이러한 결과를 통해 '광자의 성질이 변화를 일으키는' 현상에 대해 '인간의 의식'이 거리를 무시하고 영향을 미친다는 것이 과학적으로도 입증되었습니다. 명상을 주제로 한 이 연재 기사에서 양자 역학을 다루는 것도 이처럼 '양자'와 '의식'에는 아직 미지의 가능성이 있기 때문입니다.
하지만 여전히 의문은 끊이지 않습니다. 양자가 이중 슬릿을 통과하여 "어느 단계에서 성질이 바뀌는지"는 아직 밝혀지지 않았습니다. 그 이유는 "경로를 관찰하면 성질이 변하기" 때문입니다.
그림과 같이 장치로 보면, 하나의 전자가 방출되고(입자성), 이중 슬릿을 통과하여 투영면에 하나의 점으로 포착됩니다(입자성). 슬릿에서 나오는 투과선이 겹치지 않는 경우(그림 A)는 두 개의 양자가 한 쪽 슬릿을 통과하여 투영상도 그대로 간섭무늬가 없는 균일한 띠를 볼 수 있습니다. 슬릿의 투과선이 투영면에서 겹치는 경우(그림 B)에는 두 개의 양자가 파도처럼 두 개의 슬릿을 동시에 통과한 것처럼 간섭무늬가 나타납니다(파동성). 두 슬릿의 투과선이 교차하여 초점이 맞지 않는 경우(그림 C)는 입자처럼 간섭무늬가 없이 투영됩니다.
여기서 연구팀은 "양자가 어느 단계에서 입자처럼 행동하거나 파동처럼 행동하거나 변화하는가?"라는 의문을 풀기 위해 다음과 같은 연구를 고안했습니다(그림 참조). 우선 첫 번째 단계(그림 A)에서는 전자가 한 개씩 방출되지만, 각 슬릿에서 나오는 투과선은 겹치지 않기 때문에 '입자'로서 슬릿의 형태 그대로 투영상이 나타납니다. 여기서 슬릿 뒤쪽의 회절장치를 이용하여 구조를 전혀 바꾸지 않고 투과선을 겹치게 합니다(그림 B). '입자의 성질'을 나타내는 전자를 '그대로 겹쳐 놓으면' 도대체 어떤 투영상이 나타날까요? 또한, 겹쳐진 상태에서 "더 많은 투과선이 서로 지나가면" 어떤 투영상이 나타날까요?
이러한 연구를 실현한 것은 일본 리켄 연구 그룹입니다. 논문 제목은 'Electron interference experiment with optically zero propagation distance for V-shaped double slit(V-shaped double slit의 전파 거리가 광학적으로 제로인 전자 간섭 실험)*6'입니다. 2021년에 발표된 연구입니다. 이중 슬릿 실험은 1800년대부터 논의되어 왔지만, 지금도 현재진행형으로 연구되고 있어 아직 모든 것이 밝혀지지 않은 영역입니다. 이 연구팀이 실제로 개발한 장치는 그림 5와 같습니다.
사용한 입자는 전자이며, 전자선 바이프리즘이라는 메커니즘으로 구조를 움직이지 않고 전자의 비행거리를 회절시킬 수 있습니다. 그림 5 오른쪽의 (a), (b), (c)가 그림 A, B, C와 같은 원리를 보여주며, 이렇게 투영상을 임의로 움직일 수 있습니다. 그리고 이 장치는 기존과 같은 평행한 이중 슬릿이 아닌 'V자형 이중 슬릿'을 채택하고 있습니다(그림 왼쪽 위).
이 V자형 이중 슬릿을 사용하면 슬릿의 투영상이 전체적으로 겹쳐지는 것이 아니라 부분적으로 겹쳐지는 현상이 발생합니다(이미지6 아래). 이를 통해 '아직 겹치지 않은 부분'/'딱 겹치는 부분'/'지나쳐서 겹치지 않는 부분'의 투영상을 동시에 관찰할 수 있게 되었습니다(단, 어느 슬릿을 통과했는지는 관찰하지 않습니다).
참고로 슬릿의 간격은 1μm(그림 왼쪽 위)로 매우 작지만, 전자의 고전적 크기(전자는 양자물리학적으로 크기를 정의할 수 없기 때문에 참고용으로 고전적 크기라고 부릅니다*7)는 10-9μm 정도이므로 충분히 떨어져 있습니다. 전자의 크기를 직경 1cm의 파칭코 공 크기로 가정하면, 이 슬릿 사이의 거리는 약 10,000km, 대략 도쿄~런던 사이의 거리에 비유할 수 있습니다. 이 정도 거리에서 '한 개의 양자가 동시에 통과하는' 현상이 발생하니, 양자의 성질이 당시 고전 물리학자들에게 얼마나 받아들이기 어렵고 기이한 것이었는지 짐작할 수 있습니다.
본론의 연구 결과는 그림과 같이 되었습니다. 그림에서 오른쪽에 딱 V자 슬릿의 투영상이 겹쳐서 "X"가 된 상태의 확대도가 있는데, 이 그림을 보면 알 수 있듯이 '겹친 부분만 간섭무늬가 나타나고' '겹치지 않은 부분은 균일한 입자의 분포'와 같이 되어 있습니다.
이 그림은 c의 모습이 실제로 전자가 어떻게 분포되어 있는지를 정밀하게 카운트 수를 분석한 것이 그림이 됩니다. 슬릿이 겹쳐진 간섭무늬가 나타나는 부분(그림 #1)의 그래프를 보면 역시 그래프에서도 '파동의 성질'로 간섭에 의한 규칙적인 줄무늬가 출현하고 있는것을 알 수 있습니다. 반대로 전혀 겹치지 않는 부분(그림 #3, #4)은 파동의 성질은 보이지 않고 '입자의 성질'로 균일하게 흩어져 있는 듯한 분포가 나타나는 것을 그래프 #3, #4에서도 확인할 수 있습니다.
재미있는 것은 "슬릿이 겹치는 부분과 겹치지 않는 부분의 경계 부분(그림 #2)"의 그래프입니다. 그래프에서도 '겹치는 부분은 파동의 성질', '겹치지 않는 부분은 입자의 성질'로 명확하게 구분되어 있습니다. 물론 여기에 기록된 전자의 개수는 '모두 같은 조건에서' 발사된 전자의 개수입니다.
이 실험의 조건을 다시 한 번 정리하면 다음과 같습니다.
전자는 1개의 입자로서 1개씩 똑같은 조건에서 한 개씩 발사되었다.
투영면에서도 전자는 각각 3 개씩의 입자로 착탄점이 기록된다.
슬릿 투영면의 간격을 조정한 후에는 측정 중에는 아무것도 움직이지 않는다.
V자 슬릿으로 겹치는 부분과 겹치지 않는 부분을 동시에 측정할 수 있다.
그리고 실험 결과를 정리하면 다음과 같은 현상이 관찰되었습니다.
겹치지 않는 부분(한쪽 슬릿에서만 도달할 수 있는 부분)은 입자의 성질을 보였다.
겹치는 부분(양쪽 슬릿에서 도달할 수 있는 부분)은 파동의 성질을 보였다.
슬릿 앞의 조건이 항상 같더라도 투영된 부분에 따라 성질이 변화했다.
같은 슬릿의 투영상이라도 겹치는지 여부에 따라 성질이 확연히 다르게 나타났다.
투영상의 겹치는 위치가 이동하면 간섭무늬도 정확하게 일치하며 이동했습니다.
연구 저자들은 최종적으로 다음과 같은 결론을 내렸습니다.
발사된 양자의 투영 부분(도달 지점)에 도달하는 경로가 2개로 나뉘어져 있어 특정할 수 없는 경우, 양자는 2개 지점을 동시에 통과한 파동으로서의 성질을 나타낸다.
발사된 양자의 도달 경로가 1개만 있거나 1개로 특정되는 경우, 양자는 그 경로를 통과한 입자로서의 성질을 나타낸다.
다만, 그 이상에 대해서는 연구 저자들도 깊이 언급하지 않았습니다. 이번 리켄팀의 최신 연구 결과에서도 알 수 있는 것은 여기까지이며, 현재로서는 더 이상 말할 수 있는 것이 없기 때문입니다.
하지만 이 결과에서 다음과 같은 의문이 생깁니다.
전자는 도달 지점이 겹치는지 여부를 알 수 있을까?
출발지점에서 전자는 도달지점을 모르고 출발했을 것이다.
같은 슬릿이라도 도달 지점이 겹치는지 여부는 장소에 따라 다를 것이다.
도달 지점에서 출발 지점으로의 정보 피드백은 없어야 한다.
그런데 왜 파동과 입자의 성질을 아주 정확하게 구분하는가?
똑같은 비행거리에서 '겹칠 때'와 '겹치지 않을 때'에 출발한 전자는 어디서부터 성질이 달라지는가?
전자의 인과율로 보면,
도달 지점까지 제한되지 않는 경로가 있다면 파동으로 행동합니다.
도달 지점까지 경로가 제한적이라면 입자로 행동한다(관찰자가 '어느 쪽을 거쳐야 한다'는 의식으로 제한을 받으면 경로가 제한적이라면 경로가 없는 입자로 행동한다).
라는 난해하지만 단순한 법칙으로 일관성이 있습니다.
다만 인간의 상식으로부터 오는 인과율로 생각하면,
같은 조건이지만 양자의 성질이 도달점에 따라 분명히 변화하고 있다(그림 8#2 등).
성질이 '변화'하기 위해서는 그 '원인'이 존재한다.
그 '원인'은 '도달 지점이 2개의 투영상과 겹치는지 여부'이다.
2개의 투영상은 회절하기 때문에 '겹치는지 아닌지'는 도달할 때까지 알 수 없다.
그러나 변화하기 위한 분기점은 '전방의 슬릿 통과 시점 이전'이다.
앞의 슬릿 통과 시점에서 이미 '파동/입자'의 선택은 일어나고 있는 것입니다.
의문 Q : 분기 조건(도달 지점) 앞의 슬릿에서 이미 선택이 이루어지고 있는가? 라는 질문과 같이, 인간의 인과율이라는 사고방식으로 보면 현재로서는 설명할 수 없는 부분이 발생합니다. 한때 '시간과 공간은 절대 흔들리지 않는 것'이라고 생각했던 상식을 아인슈타인의 상대성 이론이 뒤집었듯이, 우리가 가지고 있는 '인과의 법칙, 사물의 순서'라는 것도 절대적이지 않을지도 모릅니다.
지금까지도 '시간과 공간은 절대적이다(실제로는 절대적이지 않다)', '물질의 상태는 변하지 않는다(실제로는 동시에 두 가지 상태를 유지하는 경우도 있다)', '양자는 개체가 서로 다른 슬릿을 통과해야 한다(실제로는 개체가 서로 다른 슬릿을 동시에 통과하는 일도 일어난다)', '사람의 의식과 물질은 과학적으로 관계가 없다 (실제로는 의식으로 물질이 변화하는 것도 나타났다)"와 같이 우리의 미숙한 개념과 상식이 모두 착각이라는 것을 과학은 보여주고 있다. 그러나 여전히 우리가 생각하는 자연의 법칙이나 인과율은 낡은 개념이 만들어낸 착각일 수 있습니다. 이번 최첨단 과학 실험에서 밝혀진 것은 '자연의 진정한 법칙은 우리의 개념을 훨씬 뛰어넘는 영역에 있다'는 것을 엿본 것에 불과합니다.
우리는 우리가 생각하는 상식을 더 많이 깨뜨려야 할지도 모릅니다. "우리가 평소에 보는 세상은 어디까지가 허상이고 어디까지가 현실인가?" 라는 점에도 다시 한 번 의식을 전환할 필요가 있을 것 같습니다. '이중 슬릿을 통과하는 양자에 의식을 집중하느냐 아니냐에 따라 그 결과가 달라지듯이(*1)', '우리 주변의 세계에 의식을 집중하느냐 아니냐에 따라 일어나는 현상이 달라지는' 것일지도 모릅니다. 많은 명상법은 '자아의 내면', '외부 세계', '우주의식', '궁극의 진리' 등 "궁극의 진리"와 같이 정신을 고차원의 영역으로 승화시켜 나갑니다. 이러한 과학적인 탐구도 깊이 생각해보면 '궁극의 진리에 대한 명상'과 같은 효과를 얻을 수 있다고 생각합니다. 또한 다음번에는 우리의 개념을 파괴하는 연구를 소개하고 싶습니다.
저자: Takuma Nomiya l 번역: Sim Min Aa
Profile
Takuma Nomiya 의사・의학박사
임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거 중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.
https://www.researchgate.net/profile/Takuma-Nomiya
https://scholar.google.com/citations?user=DGtJE_kAAAAJ&hl=ko&oi=ao
인용문
원본글: NewLife Magazine_명상, 뇌, 행복 호르몬… 의학 시선의 진짜 이야기
https://note.com/newlifemagazine/n/nf66f91110a61?magazine_key=mb580e4b26aa4
인용문헌
*1. '의식'이 물질을 바꾼다는 것을 증명: 이중 슬릿 세계 규모 실험
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/21(Korean)
https://note.com/newlifemagazine/n/n19342d9a4f56(Japanese)
*2. 단일 광자에 의한 영의 간섭 실험(하마마츠 포토닉스 / 1982년) https://www.youtube.com/watch?v=ImknFucHS_c
*3. 이중 슬릿 실험 https://www.youtube.com/watch?v=vnJre6NzlOQ
*4. 타니무라 쇼고 : 간섭과 식별의 상보성 - 불확정성 관계와의 관계를 둘러싼 논쟁 소사. 수리과학(사이언스사) 2009년 2월호 (Vol.47-2, No.548) pp.14-21
*5. Radin, D. Michel, L., Delorme, A. (2016). Psychophysical modulation of fringe visibility in a distant double-slit optical system. Physics Essays. 29 (1), 14-22. https://doi.org/10.4006/ 0836-1398-29.1.014
*6. Harada K, et al. V자형 이중 슬릿에 대한 광학적으로 전파 거리가 0인 전자 간섭 실험. Applied Physics Express 14,. 022006 (2021), https://doi.org/10.35848/1882-0786/abd91e
*7. 전자 -Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki/電子
이미지 인용
a. 이리스토야 https://www.irasutoya.com
*기존 양자물리학 기사 보러가기
https://brunch.co.kr/magazine/quantumphysics
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