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[강연] 양자얽힘, 생각이 현실을 만든다고?_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 6강 | 6강

양자역학의 역사에서 가장 기묘한 현상으로 꼽히는 양자 얽힘은 역설적이게도 이 이론을 비판하려 했던 위대한 물리학자들에 의해 그 중요성이 부각되었습니다. 슈뢰딩거와 아인슈타인은 양자역학의 확률론적 해석이 지닌 모순을 지적하기 위해 얽힘 현상을 공격의 수단으로 삼았습니다. 그러나 이들의 날카로운 비판은 훗날 양자 컴퓨터와 양자 통신이라는 혁신적인 기술의 토대가 되었습니다. 현대 물리학은 이 기묘한 현상이 단순한 이론적 가설을 넘어 우리가 발을 딛고 있는 현실의 근간임을 증명해 나가고 있습니다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 중첩 원리가 거시 세계에서 얼마나 황당하게 들릴 수 있는지를 보여주는 유명한 우화입니다. 상자를 열기 전까지 고양이가 죽은 상태와 산 상태의 중첩으로 존재한다는 설정은 우리의 직관과 정면으로 충돌합니다. 슈뢰딩거는 이를 통해 양자역학의 불완전함을 역설하려 했으나, 실험적 검증을 통해 미시 세계에서는 이러한 중첩이 실제로 일어난다는 사실이 밝혀졌습니다. 관측이 상태를 결정짓는다는 이 놀라운 원리는 현대 과학이 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 아인슈타인은 양자역학이 물리적 실체를 완벽하게 설명하지 못한다고 믿으며 EPR 역설을 제안했습니다. 그는 멀리 떨어진 두 입자가 빛보다 빠른 속도로 정보를 주고받는 듯한 현상을 '유령 같은 원격 작용'이라 부르며 혐오했습니다. 아인슈타인은 우리가 아직 모르는 '숨은 변수'가 존재하여 결과가 미리 결정되어 있을 것이라고 주장했습니다. 이는 양자역학이 단순히 확률적인 도구가 아니라, 더 깊은 층위의 결정론적 원리를 숨기고 있다는 의구심에서 비롯된 철학적 도전이었습니다. 오랫동안 철학적 논쟁에 머물렀던 이 문제는 존 스튜어트 벨이 제안한 부등식을 통해 실험의 영역으로 들어왔습니다. 벨의 부등식은 고전적인 숨은 변수 이론과 양자역학 중 어느 것이 옳은지를 판별할 수 있는 기준을 제시했습니다. 이후 수행된 정밀한 실험들은 벨의 부등식이 위배됨을 보여줌으로써 아인슈타인의 직관이 틀렸고 양자역학이 옳았음을 입증했습니다. 이 결과는 우주가 국소적인 인과율을 넘어서는 근본적인 연결성을 지니고 있음을 시사하는 현대 물리학의 기념비적인 사건이 되었습니다. 양자 얽힘에 대한 이해는 이제 순수 과학을 넘어 양자 통신이라는 실용적인 기술로 진화하고 있습니다. 양자 원격 전송은 물질 자체가 이동하는 것이 아니라 입자의 양자 정보를 빛의 속도로 전송하는 혁신적인 개념입니다. 특히 양자 얽힘을 이용한 양자 암호키 분배 기술은 해킹 시도 시 얽힘 상태가 즉각 파괴되는 특성을 활용하여 원리적으로 완벽한 보안을 보장합니다. 이미 세계 각국은 이러한 양자 네트워크를 구축하여 금융과 국방 분야에서 실질적인 응용을 시작하며 양자 시대를 앞당기고 있습니다. 양자역학은 원자의 구조를 넘어 우주의 근본적인 힘과 질량의 기원까지 설명해 줍니다. 표준 모형에 따르면 우주의 네 가지 힘은 입자들이 특정 입자를 주고받는 '공 던지기' 원리에 의해 매개됩니다. 또한 힉스 메커니즘은 게이지 대칭성이 자발적으로 깨지면서 입자들이 질량을 얻게 되는 과정을 보여줍니다. 이는 우리 몸을 구성하는 원자들이 어떻게 존재할 수 있는지에 대한 근본적인 답을 제공합니다. 결국 양자역학은 단순한 물리 법칙이 아니라 존재의 이유를 설명하는 심오한 원리인 셈입니다. 미래의 핵심 기술인 양자 컴퓨터는 0과 1의 중첩 상태인 큐비트를 활용하여 고전 컴퓨터가 해결하지 못하는 복잡한 난제들에 도전합니다. 쇼어 알고리즘은 양자 중첩을 통해 수만 년이 걸릴 소인수분해를 단 몇 초 만에 해결할 수 있는 가능성을 제시했습니다. 리처드 파인만이 예견했듯, 자연의 양자역학적 본질을 시뮬레이션하기 위해서는 양자 컴퓨터가 필수적입니다. 인류는 양자 컴퓨터라는 강력한 도구를 통해 우주 상수의 비밀이나 생명의 기원과 같은 우주의 궁극적인 신비를 풀어낼 새로운 여정을 시작하고 있습니다.

박권

카오스재단카오스강연

물리학

[과학자가 쓴 과학책 #24] 이종필_빛의 전쟁 ㅣ과학자가 SF를 쓴다면?

이종필 교수는 물리학자이자 저술가로서 대중에게 과학의 즐거움을 전해온 인물입니다. 그는 스스로를 '글 쓰는 물리학자'라고 정의하며, 과학적 사실을 넘어선 서사의 힘에 주목해 왔습니다. 최근 그가 선보인 소설 '빛의 전쟁'은 단순한 교양 과학서를 넘어 추리 소설의 형식을 빌려 과학적 상상력을 극대화한 작품입니다. 물리학자의 시선으로 그려낸 이 이야기는 독자들에게 현대 과학의 최전선이 어디인지, 그리고 그 너머에 무엇이 있을지를 생생하게 보여줍니다. 과학을 소재로 한 소설을 집필하게 된 계기는 과학의 대중화에 대한 깊은 고민에서 비롯되었습니다. 기존의 교양 과학 도서들이 다소 딱딱하고 사실 전달에 치중했다면, 소설이라는 장르는 독자들이 페이지를 넘기는 즐거움을 느끼게 합니다. 저자는 학창 시절부터 이어온 문학적 감수성과 물리학자로서의 전문성을 결합하여, 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌 흥미진진한 엔터테인먼트가 될 수 있음을 증명하고자 했습니다. 이는 과학 문화 활동의 새로운 지평을 여는 시도이기도 합니다. 소설 속에는 인공지능, 양자 컴퓨터, 중성자별 등 현대 물리학의 핵심 소재들이 등장합니다. 저자는 현재의 과학 기술 단계와 상상력의 지점을 매끄럽게 연결하는 데 가장 큰 공을 들였습니다. 딥러닝의 원리나 구글의 양자 컴퓨터 실험 같은 실제 사례들을 출발점으로 삼아, 그것이 극한으로 발달했을 때 벌어질 수 있는 상황을 설득력 있게 묘사했습니다. 이러한 정교한 설정은 독자로 하여금 어디까지가 현실이고 어디서부터가 허구인지 경계를 넘나드는 지적 유희를 제공합니다. 물리학에서 '5시그마'라는 개념은 단순한 숫자를 넘어 과학적 발견을 인정하는 엄격한 기준이 됩니다. 통계학적으로 표준편차의 5배를 의미하는 이 수치는, 어떤 현상이 우연히 발생할 확률이 약 350만분의 1에 불과할 때 사용됩니다. 즉, 이 기준을 통과했다는 것은 해당 발견이 통계적 오류가 아닌 실재하는 물리적 현상임을 보증하는 것입니다. 소설은 이러한 과학적 방법론을 서사 속에 녹여내어, 진실을 추적하는 과정에 객관성과 긴장감을 부여합니다. 양자역학의 역사에서 아인슈타인과 코펜하겐 학파 사이의 논쟁은 빼놓을 수 없는 대목입니다. 아인슈타인은 '신은 주사위 놀이를 하지 않는다'며 양자역학의 확률론적 성격을 부정했고, EPR 역설을 통해 이론의 불완전성을 주장했습니다. 그러나 이후 벨의 부등식 실험 등을 통해 양자역학의 정당성이 입증되었고, 이는 현대 물리학의 공고한 토대가 되었습니다. 소설은 이러한 철학적, 과학적 대립을 인물들의 갈등과 사건의 배경으로 활용하여 이야기의 깊이를 더합니다. 정보 보존은 현대 물리학의 중요한 화두 중 하나입니다. 스티븐 호킹은 한때 블랙홀에서 정보가 사라진다고 주장했으나, 결국 양자역학의 원리에 따라 정보는 보존된다는 사실을 인정하며 자신의 오류를 바로잡았습니다. 소설에서는 광자로부터 정보를 추출하거나 사건의 흔적을 재구성하는 설정을 통해 이러한 물리적 원리를 극대화합니다. 이는 마치 범죄 현장에서 증거를 수집해 진실을 밝혀내는 과정과도 닮아 있어, 과학이 지닌 탐구의 본질을 효과적으로 드러냅니다. 마지막으로 이 작품은 과학 기술과 국가주의의 관계에 대해 묵직한 질문을 던집니다. 과학적 성과가 국가 경쟁력이나 안보의 수단으로만 소비되는 현실 속에서, 과학의 본질적 가치와 사회적 책임 사이의 갈등을 조명합니다. 뛰어난 기술이 인류를 위해 어떻게 쓰여야 하는지, 그리고 그 과정에서 필요한 사회적 합의는 무엇인지에 대한 고민이 인물들의 행보를 통해 투영됩니다. 이는 과학이 실험실을 넘어 우리 삶과 역사 속에서 어떤 의미를 지녀야 하는지를 다시금 생각하게 합니다.

이종필

카오스재단읽다과학

물리학

[강연] 양자이론은 완벽한가? | 2017 카오스 토론회 : '과학vs과학철학' 2부 2강 | 2부 ②

양자역학은 미시 세계의 물리 현상을 예측하는 데 있어 현존하는 어떤 이론보다 강력한 도구입니다. 하지만 리처드 파인만이나 머레이 겔만 같은 거장들조차 이 이론을 완벽히 이해하는 사람은 없다고 고백할 만큼 그 본질은 신비에 싸여 있습니다. 양자역학은 우리가 사용하는 법은 알지만, 그 이면의 원리는 여전히 당혹스러운 학문으로 남아 있습니다. 이는 단순히 지식의 부족이 아니라, 우리가 세상을 바라보는 근본적인 방식에 대한 질문을 던지기 때문입니다. 양자 세계에서는 관측 전까지 여러 상태가 겹쳐 있는 중첩 현상이 나타납니다. 그러나 관측하는 순간 이 상태는 하나로 결정되는 파동함수 붕괴를 겪게 됩니다. 과학 이론이 연속적인 흐름을 가져야 함에도 불구하고, 측정 과정에서 발생하는 이러한 불연속적인 변화는 양자 이론의 완결성에 의문을 제기하게 만듭니다. 우리가 만나는 실재가 관측 이전의 상태와 어떤 물리적 연관성을 갖는지, 그리고 그 추상적인 파동함수가 실재를 어떻게 대변하는지는 여전히 중요한 논쟁거리입니다. 아인슈타인은 물리 이론이 완전하다면 실재하는 모든 요소가 이론 안에 대응되어야 한다고 주장했습니다. 그는 외부의 교란 없이도 항상 동일한 값을 갖는 성질을 실재성이라 정의하며, 양자역학이 이를 완벽히 설명하지 못한다고 비판했습니다. 반면 보어는 물리량이 측정 장치와의 관계 속에서만 의미를 갖는다고 보았습니다. 이러한 논쟁은 양자역학이 객관적 실재를 그대로 그려내는 이론인지, 아니면 현상을 확률적으로 예측하는 도구에 불과한지에 대한 근본적인 갈림길을 보여줍니다. 인지적 구성주의 실재론의 관점에서는 측정을 정보 전달의 과정으로 이해합니다. 대상이 가진 정보가 인식 주체에게 전달되기 위해서는 물리적 상호작용뿐만 아니라 인지적인 절차가 수반되어야 한다는 논리입니다. 즉, 우리가 이해하는 실재는 인간이 가진 개념 체계와 인식의 틀을 통해 재구성된 결과물일 수 있습니다. 이는 과학 이론이 단순히 자연을 발견하는 것이 아니라, 인간이 세계와 대화하기 위해 만든 합리적인 도구라는 점을 강조하며 인간 중심의 인식론적 가치를 부여합니다. 물리학계에서 널리 받아들여지는 결어긋남 이론은 측정 문제에 대해 다른 해답을 제시합니다. 우주를 관심 대상과 그 외의 환경으로 나눌 때, 정보가 환경으로 빠져나가는 것만으로도 측정은 성립한다는 주장입니다. 여기에는 인간의 의식이나 인지가 개입할 필요가 없습니다. 정보가 시스템 밖으로 나가는 순간 양자적 특성은 사라지고 입자처럼 행동하게 됩니다. 물리학자들에게 우주는 인간의 인식 여부와 상관없이 스스로의 법칙에 따라 작동하는 객관적인 체계로 받아들여집니다. 과학의 역사는 인간이 우주의 중심이 아니라는 사실을 깨달아가는 과정이기도 합니다. 지구가 중심이 아님을 알게 된 천문학의 혁명부터, 인간이 특별한 존재가 아님을 보여준 진화론에 이르기까지 과학은 끊임없이 인간 중심 사고에서 벗어나려 노력해 왔습니다. 양자역학 역시 인간의 직관으로 이해하기 어렵다는 이유로 이론의 완결성을 의심하기보다는, 자연 그 자체가 가진 형식을 있는 그대로 받아들이는 태도가 필요합니다. 인간의 틀에 우주를 가두는 것이 오히려 오만일 수 있기 때문입니다. 과학과 철학의 대화는 세계를 바라보는 서로 다른 창을 제공합니다. 과학이 실험과 수식을 통해 현상의 유용성을 입증한다면, 철학은 그 이론이 우리에게 어떤 의미를 갖는지 성찰하게 합니다. 양자역학을 둘러싼 치열한 논쟁은 결코 결론이 나지 않는 소모적인 싸움이 아닙니다. 오히려 우리가 가진 인식의 한계를 확인하고, 더 넓은 우주의 진리에 다가가기 위한 건전한 긴장 관계를 유지해 줍니다. 이러한 학문적 교류를 통해 우리는 비로소 인간적인 동시에 객관적인 우주의 모습을 그려나갈 수 있습니다.

김상욱, 이중원

카오스재단마스터클래스

물리학
융합