"양자"와 "시간"과 "세계"의 수수께끼
Quantum Physics
양자역학은 지금까지 여러 차례 다루어 왔지만, 이번에는 좀 더 핵심적인 주제로 다뤄보겠습니다. 제목 그대로 양자는 마침내 수천 킬로미터를 넘어서는 공간적 개념뿐만 아니라 '시간'이라는 것의 상식을 뒤집어 놓았습니다.
본론으로 들어가기에 앞서 이번 실험 회로인 '마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Inferometer *1)'에 대해 설명하겠습니다. 이 장치는 이미지1과 같이 복잡한 것이 아니라 하프미러/거울/광원/검출기라는 간단한 회로로 자작 키트도 판매하고 있습니다. 이미지1 왼쪽을 보시면 아시겠지만, 광원에서 발사된 빛이 하프미러에 부딪혀 절반씩 2방향으로 갈라졌다가 다시 합쳐져 어느 하나의 검출기에 도달하는 구조입니다.
원래 이 마하-젠더 간섭계(MZI)는 물질의 성분 분석 등을 위해 개발된 것인데, '빛이 서로 다른 방향으로 갈라져 합류한다'는 구조를 들으면 이미 짐작하셨을 텐데요, '이중 슬릿 실험'과 구조가 매우 유사하여 양자 역학 실험에도 많이 활용되고 있습니다.
이 회로에 보통의 빛(레이저 광)을 조사하면 어떻게 될까 하면 이미지2 A와 같이 됩니다. 일반적으로 설치하면 빛은 최종적으로 반씩 반으로 나뉘어 검출기에 검출됩니다. 하지만 거울의 위치를 미세하게 조정하여 경로의 빛의 위상차가 엇갈리도록 하면 그림과 같이 빛이 전혀 닿지 않는 곳과 반대로 빛이 서로 강화되는 곳이 생깁니다.
이를 실제로 레이저 빛으로 실험한 연구가 있으며(*2), 이를 이미지3로 나타내었습니다. 이미지와 같이 검출기에는 간섭무늬가 나타납니다. 이는 레이저가 빛이고 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 루트를 통과한 파동이 간섭하여 줄무늬가 생기는 것을 쉽게 이해할 수 있습니다.
이 연구자는 다음으로 "광자(양자)를 한 개만 이 회로에 조사하면 어떻게 될까?"라는 의문을 갖게 되었습니다. 그리고 실제로 레이저 빛을 약하게 하여 광자 1개씩 조사해 본 결과는 이미지4와 같습니다.
이미지4와 같이 검출기는 역시 간섭무늬를 기록했습니다. 그리고 그 간섭무늬의 간격은 일반 레이저 빛과 광자 1개씩 조사했을 때와 거의 일치했습니다. 이 실험 결과가 의미하는 바는 "광자가 1개라도 2개의 코스로 분기하여 각각 진행하다가 합류 지점에서 다시 서로 간섭하여 줄무늬를 형성한다"는 것입니다. 빛은 1개, 2개로 계산되는 '입자성'을 가지면서도 간섭하여 증폭하거나 감쇠하는 '파동성'도 동시에 가지고 있다는 것을 나타냅니다. 이 부분은 이중 슬릿 실험의 기본 부분에서 설명한 적이 있으니 그 부분을 읽어보시기 바랍니다(*3).
1개의 광자가 2개의 다른 경로를 동시에 통과하면서 서로 간섭하는 현상은 이중 슬릿 실험(*3)과 이 마하-젠더 간섭계(MZI)에서 동일한 현상이라고 할 수 있습니다. 이중 슬릿 실험이 MZI 회로에서 '광자를 1개씩 조사하고, 회로에는 광자 1개밖에 존재하지 않는다' 조건에서 미러를 미세 조정하여 경로의 광자로 간섭을 일으키면, 이미지 5A와 같이 한쪽 검출기에서는 전혀 광자를 검출하지 않게 됩니다. 이는 "1개의 광자의 한 쪽이 자신의 다른 반쪽과 합류할 때 서로 간섭하여 상쇄하기 때문"입니다. 이를 증명하기 위해 그림 B와 같이 한쪽 경로를 차단하면, 그 순간부터 검출기가 광자를 검출하기 시작합니다. 이는 합류 지점에 한쪽의 광자가 도달하지 못함으로써 간섭이 일어나지 않고 광자가 검출기에 도달할 수 있게 되기 때문입니다.
이러한 "1개의 양자가 공간적으로 2개로 멀리 떨어져 있어도 쌍의 관계"인 것을 "양자 얽힘/강화(*4)"이라고 하며, 이론적으로는 수 천 킬로미터 떨어져 있어도 관계가 성립하는 것으로 알려져 있습니다(*5).
하지만 앞서 '1개의 광자가 동시에 2개의 루트를 통과한다'는 것을 보여주었는데, '2개의 루트를 분리하면 어떻게 될까? '라는 실험 결과를 이미지6에 나타냈습니다. 이미지 6A와 같이 루트의 합류 지점에 하프 미러(BS/빔 스플리터)가 아닌 일반 미러를 삽입하고, 중간까지의 루트를 바꾸지 않고 합류 지점을 분리시키면 어떻게 될까요? 가설로는 '1개의 광자가 각각 절반씩 나누어 각 루트를 통과하여 양쪽의 검출기에서 모두 검출할 수 있지 않을까? '라는 예상도 성립합니다.
실제로 어떻게 되었느냐 하면, 그림 6A에 이미 적혀 있는 것처럼 빨간색 루트를 통과한 경우 해당 검출기에서만 광자가 검출되고 청색 루트의 검출기에는 반응이 없습니다. 반대로 청색 루트를 통과한 경우, 청색 루트의 검출기만 검출되고 적색 루트의 검출기는 무반응을 보였습니다. 즉, "이 경우 1 개의 광자는 어느 한 쪽의 경로에 100% 또는 0%의 값밖에 취하지 않는다"는 결과가 됩니다(*6, *7). 안타깝게도 이미지 6B와 같이 "1개의 광자가 분리된 각각의 루트에서 각각 50%씩 검출되지 않을까?"라는 예상은 보기 좋게 빗나갔습니다.
이 현상은 '양자가 통과하는 경로를 특정하려고 하면 성질이 변한다'는 신기한 현상으로 알려져 있습니다. 이는 '이중 슬릿 중 어느 쪽을 통과했는지 관찰하려고 하면 성질이 변한다(*3)', '양자가 슬릿을 통과한 끝이 겹치지 않으면 입자, 통과한 끝이 겹치면 파동의 성질이 된다(*8)'는 현상과 같은 양자역학 현상입니다.
"어떤 메커니즘인지는 모르겠지만, 양자는 도달 지점에 따라 그 성질을 바꾸고 있다"고 말할 수 있습니다. 하지만 이는 아직까지도 어떤 과학자도 명확하게 설명하지 못하고 있습니다.
여기서부터가 본론인데, 양자 역학의 선구자인 존 휠러 박사(1911-2008, *9)는 다음과 같은 사고실험을 제안합니다; "양자가 분기점을 통과한 후 그 앞의 상태를 변화시키면 어떻게 될까?". 라고 알려져 있습니다. 이 MZI 회로로 설명하면 '처음에 광자가 하프미러를 통과했을 때, ① 도달 지점이 합류하는 경우 → 광자는 2개의 루트로 나뉘어서 진행(이미지 7A), ② 도달 지점이 합류하지 않는 경우 → 광자는 분리되지 않고 어느 한 쪽의 루트로 진행(이미지 7B)한다'는 조건 분기가 성립합니다.
이때 예를 들어 '광자가 하프미러를 통과한 후, 합류해야 할 경로를 합류하지 않도록 바꾼다면, 두 갈래로 나뉘어 진행하던 광자는 어떻게 될까?(이미지 7C)' '양자를 속일 수 있는가? 양자와의 지혜 비교'라는 주제의 실험입니다.
당시에는 광자에 앞서 구조를 변화시키는 기술이 없었지만, 2007년 프랑스 연구기관에서 이를 실현한 연구가 발표되었습니다(*10). 이 회로도(이미지8)의 중앙 부분의 사각형이 마하-젠더 회로가 됩니다. 광자가 하프미러(BS)를 통과하여 분기한 후 합류하기까지 약 160ns(나노초)가 걸리고, 합류부를 연결시킬지 여부를 ON/OFF하는 데 120ns가 걸립니다. 즉, 광자가 하프미러를 통과한 후 합류부의 상태를 변경할 수 있는 회로입니다.
이 장치를 사용하면 광자는 도달 지점에 따라 '파동으로 루트를 분기하여 진행할 것인가' 아니면 **'입자로서 어느 한 쪽의 루트로 진행할 것인가'**를 결정한 후 '도달 지점이 바뀌어 버린다'는 것이죠. 궁금한 결과는 이미지9와 같습니다.
이를 보면 회로가 교차할 때(본래 광자가 파동의 성질을 나타낼 때)는 이미지 9A와 같이 "거의 정확하게 파동의 성질이 재현되었다"(회로가 교차하지 않을 때 입사된 광자도 포함되어 있음에도 불구하고). 반대로 회로가 교차하지 않을 때(원래 광자가 입자의 성질을 나타낼 때)는 이미지 9B와 같이 "거의 정확하게 입자의 성질이 재현되었다"(회로가 교차할 때 입사된 광자도 포함되어야 함에도 불구하고)고 볼 수 있습니다.
결론적으로 '광자가 입사했을 때 어떤 상태이든 회로가 교차하여 간섭이 가능하면 '파동성'을, 회로가 교차하지 않고 간섭이 불가능하면 '입자성'을 나타낸다'고 할 수 있습니다.
그런데, 또 다시 우리의 가정을 뒤집는 실험 결과가 나왔습니다.
의문: "광자는 어느 시점에서 파동이 될지 입자가 될지 결정되는가?"
가정1: '분기점(하프미러)보다 앞에서 결정'한다고 가정했을 때, 그 때의 도달지점에 맞춰 파동성인지 입자성인지 결정했다고 하면, 그 이후에 '변경된 도달지점에 맞춰' 다시 중간에 바뀐 것이 됩니다(두 갈래로 나뉜 한쪽은 어떻게 되는가? (그 반대는? 순간이동?)
가정2：’분기점을 통과한 후’라고 한다면 통과 시점에서’루트를 진행할지, 아니면 어느 한쪽으로 갈지’결정해야 하는데, 앞뒤가 맞지 않는다.
가정3: '도착 지점이 변경되었을 때, 시간을 거슬러 올라가서 분기점에서 성질을 바꾼다'. 이건 정말 놀라운 이론이네요. 역시 혁신적인 발상이라 기대를 갖고 믿는 사람도 있고, 완강히 부정하는 사람도 있는 것 같습니다.
가설4: '이 현상을 포함한 우주 자체가 허상・홀로그래피이다'이다. 지금까지의 모든 것을 근본적으로 뒤엎는 이론이지만, 진지하게 연구되고 있고 연구 논문도 나와 있습니다(*13, *14).
이 글을 읽은 여러분은 어떻게 생각하시나요? 결국 어떤 가설도 현대 물리학의 개념으로는 설명할 수 없습니다. 물론 '위의 어느 가설도 아니다'라는 가능성도 충분히 있을 수 있습니다.
옛 사람들은 '지구를 중심으로 하늘이 회전하고 있다'고 믿고 의심하지 않았지만, 사실은 '지구 자체가 회전하고 태양 주위를 공전하고 있다'는 것이 밝혀졌다. 또한 과거 사람들은 모두 '시간과 공간은 절대적이다'라고 생각했습니다. 그래서 아인슈타인은 일반상대성이론(*11)을 제창하고, 실제로는 '시간과 공간도 왜곡되거나 변형되는 것'임을 증명했습니다. 그리고 양자역학에 이르면 '양자들이 동시에 동시에 움직이고, 수천 킬로미터 떨어져 있어도 동기화된다'는 불가해한 것도 의심할 여지 없는 사실로 증명되고 있습니다. 여기에 와서 양자역학은 또 다른 과제를 우리에게 던져주고 있는지도 모릅니다.
우리는 '시간'이라는 개념에 대해서도 기존의 것을 깨고 새로운 개념을 만들어야 할지도 모릅니다. 누구나 '어떤 일이 일어나면 그 영향이 다음 세계, 미래에 나타난다', '과거에 원인이 있고 그 뒤에 결과가 생긴다'고 생각했습니다. 그 반대는 있을 수 없습니다. '미래로 인해 과거가 바뀐다'는 것은 우리의 상식으로는 생각할 수 없는 일입니다.
그러나 '시간은 과거에서 미래로 흐른다', '사건은 과거부터 순서대로 일어난다'는 당연해 보이는 것들도 사실은 '우리가 그렇게 믿고 있을 뿐'일지도 모릅니다. 앞서 언급한 사례처럼 '모두가 믿고 의심하지 않았던 것'은 여러 번 번복되어 왔습니다. "시간은 항상 일정한가?" "시간은 항상 과거에서 미래로 일방통행인가?" "시간이란 단 하나의 길인가?" "다른 시공간이 존재할까?" "애초에 '시간'이라는 것이 존재할 수 있을까?" "시간이 있다"는 우리의 의식 속에 존재하는 것뿐인가?" "사실 우리가 보고 있는 것은 허상이 아닌가?" "시간과 공간도 우리 의식 속의 환상이 아닐까?" 등 상식적으로 믿기 어려운 일들이지만, 실제로 이런 이론들이 최근 들어 많이 등장하고 있습니다.
이것들은 결코 먼 나라의 환상이 아니라 항상 우리가 살고 있는 세상에서 일어나고 있는 현상입니다. 양자 역학도 우리가 늘 접하고 있는 물질의 세계입니다. 시간과 의식도 형이상학이라는 비물질적 세계의 학문이었지만, '양자와 의식의 연결(*12)'에 의해 이들 역시 밀접한 관계를 유지하고 있음이 증명되고 있습니다. 미시적인 양자의 세계, 시간의 세계, 이런 것들에 대해 생각하는 것은 명상과 똑같은 효과가 있습니다. 다양한 명상법도 익히다 보면 결국 초자아/전체의식/우주/신비성의 영역으로 승화되어 갑니다. '자신이 의식하는 것만이 존재한다'는 법칙을 잘 활용한다면 이 세계를 이해하고 '의식으로 현실을 바꿀 수 있을지도 모르겠습니다.
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/n96af4cbc0890?magazine_key=mb580e4b26aa4
인용문헌
*1. 마하-젠더 간섭계
https://en.wikipedia.org/wiki/Mach–Zehnder_interferometer
*2. Dimitrova TL, Weis A. A double demonstration experiment for the dual nature of light. Proc. of SPIE Vol.
*3. '보는 것'으로 '현실이 바뀐다'? 이중 슬릿 실험
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/18 (Korean)
https://note.com/newlifemagazine/n/nf11ac38b370a (Japanese)
*4. 양자 얽힘-Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
*5."원격치유"는 과학적으로 증명할 수 있을까?
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/12 (Korean)
https://note.com/newlifemagazine/n/n349ffafbd715 (Japanese)
*6. Dimitrova TL, Weis A. Lecture demonstrations of interference and quantum erasing with single photon. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-8949/2009/T135/014003
*7. 小芦 雅斗. 미묘한 빛의 신기한 세계. 도쿄대학교 Todai OCW 학술부감강연 2012.
*8. 양자의 최신 연구와 인과율의 붕괴?
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/48 (Korean)
https://note.com/newlifemagazine/n/nf66f91110a61 (Japanese)
*9. 존 휠러
https://en.wikipedia.org/wiki/John_Archibald_Wheeler
*10. Jacques V, et al. Experimental Realization of Wheeler's Delayed-Choice Gedanken Experiment. Science 315, 966-968 (2007); DOI: 10. 1126/science.1136303
*11. 상대성 이론 - Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_relativity
*12. '의식'이 물질을 변화시킨다는 것을 증명: 이중 슬릿 세계 규모 실험
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/21 (Korean)
https://note.com/newlifemagazine/n/n19342d9a4f56 (Japanese)
*13. 홀로그램 원리-Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Holographic_principle
*14. Afshordi N et al. From Planck Data to Planck Era: Observational Tests of Holographic Cosmology. Phys. Rev. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.041301
이미지 인용
*a. Mach Zehnder Interferometer
https://www.indiamart.com/proddetail/mach-zehnder-interferometer-9705574733.html
*기존 양자물리학 기사 보러가기
https://brunch.co.kr/magazine/quantumphysics
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참된 나로 사는 것이 무엇인지 배우는 모던미스테리스쿨은 8,000년간 계승되어 온 형이상학, 우주의 보편적 법칙과 진리를 전수합니다. "Know Thyself = 너 자신을 알라" 세상에서 가장 놀라운 신비는 바로 당신을 알아가는 것. 이 지상의 어디에서도 체험할 없는 매직과 기적이 당신을 기다립니다.
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