EPR 패러독스란 무엇인가?

사실주의에 의하면 양자역학은 비록 양자역학이 계에 대하여 말하는 모든 것을 알더라도 모든 특성을 결정하지 못하므로 불완전한 이론이라 할 수 있다. 양자역학에는 알려지지 않은 다른 정보가 있는데, 이것은 물리적 실체를 완벽하게 기술하는 데 필요하다. 

  1023년 아인슈타인(A. Einstein)과 포돌스키(B. Podolsky) 그리고 로젠(N. Rosen)은 사실주의적인 입장만이 유일하게 유지될 수 있다는 것을 증명하도록 고안한 EPR 패러독스를 발표했다. 이 이론은 데이비드 봄(D. Bohm)에 의해 더 단순화된다. 

  예를 들어 중성 파이 입자가 전자와 양전자고 붕괴하는 경우를 고려해 보자. 파이 입자가 정지해 있다고 가정하면 전자와 양전자는 반대 방향으로 날아간다. 파이 입자의 스핀은 0이므로 각운동량 보존에 의해 전자와 양전자는 스핀 단일항 배열을 한다.

  전자가 윗방향 스핀을 가진 것을 발견했다면, 양전자는 반드시 아랫방향 스핀을 가져야 하고, 그 역도 성립한다. 양자역학으로는 어느 특정한 파이 입자의 붕괴에서 어떤 결합이 나타날 것인지 알 수 없지만, 측정은 상호 연관되어 있고, 각각의 결합을 평균하여 절반씩 측정할 것이다. 

  전자와 양전자가 실제 실험에서 10m 정도, 혹은 원리상 10광년 멀리 날아간 수 전자의 스핀을 측정한다고 하자. 윗방향 스핀을 얻었다는 것을 아는 순간 20m 혹은 20광년 떨어진 곳에서 양전자를 조사하면 아랫방향 스핀을 얻었을 것이다. 

  이것은 사실주의자에게는 전혀 놀라울 일이 아니다. 전자는 생성된 순간 윗방향 스핀을 갖는다. 단지 양자역학에서는 이것에 대해 알지 못할 뿐이다. 그러나 정통주의자의 견해는 어느 입자도 측정을 하기 전까지는 윗방향 스핀이나 아랫방향 스핀을 갖지 않는다고 주장한다. 전자를 측정하여 파동 함수가 붕괴되었고, 순간적으로 20m 떨어진 곳의 양전자 스핀을 만들었다. 

  아인슈타인, 포돌스키 그리고 로젠은 이와 같은 원격 작용이 터무니없다고 주장했다. 이들은 정통적인 입장을 지지할 수 없다고 결론지었다. 전자와 양전자는 양자역학이 알든 알지 못하든 잘 정의된 스핀을 계속 가져야 한다. 

  EPR 패러독스에서 기본적인 가정은 어떤 정보도 빛의 속도보다 빨리 전달될 수 없다는 것이다. 이것을 국소성의 원리라고 한다. 파동 함수의 붕괴가 순간적이 아니라, 유한한 속도로 이동한다고 제안하고 싶을 수도 있다. 하지만 이 경우에는 각운동량이 파괴된다. 왜냐하면 붕괴 정보가 도달하기 전에 양전자의 스핀을 측정한다면 두 입자가 윗방향 스핀을 가질 확률은 반반이기 때문이다. 

  추상적으로 어떤 이론을 생각하더라고 실험은 분명하다. 이와 같은 파괴는 일어나지 않는다. 스핀의 상관관계는 완벽하다. 명백히 파동 함수의 붕괴는 그 존재론적 지위가 어떻든 상관없이 순간적인 것이다. 이것이 EPR 패러독스의 핵심인 것이다.