양자역학 ep.6 EPR역설

알버트 아인슈타인 (Albert Einstein, 1879-195)

보리스 포돌스키    (Boris Yakovlevich Podolsky, 1896 - 1966)

네이선 로젠           (Nathan Rosen, 1909 - 1995)

 

코펜하겐 해석을 주장한 코펜하겐 학파에 반대하는

세명의 과학자가 모여 논문을 발표합니다.

그 세명의 이름의 앞글자를 따서

EPR 패러덕스라 불리게 됩니다. 

 

 

'Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?'

'물리적 실재에 대한 양자역학적 기술이 완전하다고 여길 수 있는가?'

 

이 것이 논문의 정식 제목입니다. 

이를 EPR역설로 부르게 된 겁니다.

 

양자 얽힘

양자역학에는 '양자 얽힘'이라는 현상이 존재합니다.

 

두 입자를 일정한 양자상태에 두어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 합니다.

양자역학에 의하면 측정하기 전까지 두 입자의 스핀방향을 절대 알 수 없습니다.

하지만 측정을 하는 순간 하나의 입자 스핀의 방향이 결정되고

나머지 하나의 입자도 반대의 스핀방향으로 결정이 됩니다.

마치 정보가 순간이동을 한 듯이 말이죠.

 

문제는 이 양자 얽힘의 두 입자는 그 거리가 무한대로 떨어져 있다고 하더라도

그 순간에 결정이 된다는 것이고 이는 빛보다 빠른 속도의 정보 이동을 보여주죠.

 

즉 하나의 입자가 우리 지구에 있고 

다른 하나의 입자는 220만 광년 떨어져 있는 안드로메다 은하에 있다고 하더라도 

양자 얽힘의 상태에 있다면 

그 정보는 빛의 속도로 220만 년이 걸리는 거리를 무시한 채

그 순간 전달이 된다는 뜻입니다. 

 

이 말은 빛보다 빠른 통신이 가능할 수도 있다는 뜻이고 

우주의 끝에 있는 사람과의 실시간 통화도 가능할 수 있다는 뜻입니다.

 

양자중첩

'슈뢰딩거의 고양이' 사고 실험과 비슷한 내용입니다. 

양자가 들어있는 보이지 않는 통이 있다고 가정해 봅시다.

이 안에는 양자가 하나 들어 있는데 이 양자의 색깔은 

파란색 도는 빨간색 둘 중의 하나입니다. 

 

그러나 우리가 통을 열어 보기 전에는 어떤 색인지 알 수 없고 

실제로 통속의 양자도 색이 정해지지 않은 중첩상태에 있다는 말이지요.

이미 결정되어 있는 양자 색깔을 열어서 확인하는 것뿐이지 않느냐?

라고 생각할 수도 있겠지만

확실히 양자세계에서는 중첩된 상태

빨강도 파랑도 모두 존재하는 상태 라고 합니다.

 

막스 보른은 이를 확률로 표현했습니다. 

 

뚜껑을 열어서 양자를 관측하는 행위 자체가 그 색깔을 정하고 

이를 '양자붕괴'라고 합니다.

 

 

닐스 보어 와 아인슈타인

이를 동시에 보겠습니다.

우리는 지구에서 양자 얽힘 상태에 있는

양자를 통에 넣어 우주선에 쏘아 보냅니다.

이 우주선은 안드로메다에 도착했고 

양자의 색깔은 아직 정해지지 않은 상태입니다.

 

우리가 뚜껑을 열어 그 양자의 색깔을 확인하는 순간

안드로메다의 얽힘 상태에 있는 양자의 색깔도 결정된다는 말입니다.

 

이 사실들이 믿어지시고 이해가 되시나요?

아인슈타인 역시도 이를 받아들이지 못했습니다. 

 

 

[EPR역설의 실제 내용]

 

저 하늘에 달이 있다.

이 달은 실제로 존재하는 것이다.

그런데 코펜하겐 해석은

달을 관측하기 전까지는 존재하지 않는 것이고

관측을 해야만 존재하는 거라고 한다.

 

그런데 달은 관측을 하든 말든 실제로 존재하지 않나?

실제로 있는 달을 갔다가

안 보면 없다고 하는 것은 받아들일 수 없다.

그리고 실제로 존재하는 달이라면 반드시 물리량이 있다.

(위치와 속도)

 

그런데 코펜하겐 해석은

관측하기 전까지의 물리량은 확률로 예측하고

관측하는 순간에 물리량을 확실하게 알 수 있다고 한다.

그런데 문제는 관측을 해도 관측 대상에 교란을 일으킨다.

(관측하는 순간 대상에 맞는 광자나 전자조차도

대상을 움직이게 하는 상황이니)

 

즉, 교란 없이는 관측대상의 물리량을 정확하게 계산할 수 없다는 거다.

계산한다고 해도 정확하다고 할 수 없는 것이다.

 

결론적으로 코펜하겐 해석의 양자역학은

완전성과 실재성 측면에서 불완전한 학문이다.

 

그런데 Physical Review 47호에 실린 EPR역설을 읽은

코펜하겐 학파의 수장 닐스 보어

그는 즉시 Physical Review 48호에 반박 논문을 올립니다.  

 

다음 편에서 이어가겠습니다.