양자역학과 양자얽힘: 시간을 통해 이해하기

 

양자역학과 양자얽힘은 현대 물리학의 가장 신비로운 주제 중 하나입니다. 이 글에서는 양자얽힘이 무엇인지, 그리고 왜 이러한 현상이 발생하는지를 시간이라는 개념을 통해 쉽게 풀어보겠습니다. 이 내용은 유튜브 영상 "양자얽힘과 양자역학을 '시간이란 무엇인가?'를 통해 완벽히 이해해 봅시다"를 기반으로 작성되었습니다.

양자얽힘의 기본 개념

양자얽힘은 서로 얽혀 있는 두 개 이상의 양자 입자가 서로의 상태에 즉각적으로 영향을 미치는 현상입니다. 이 현상의 핵심 키워드는 중첩(superposition)과 동시성(correlation)입니다.

예를 들어, 두 양자 A와 B가 각각 0 또는 1의 상태를 가질 수 있다고 가정합시다. A가 1이면 B는 0, A가 0이면 B는 1이 되도록 얽혀 있다고 설정해 봅시다. 이 두 양자를 멀리 떨어뜨려 놓고 A를 관찰하면, A가 0인지 1인지 결정되는 순간 B의 상태도 즉시 결정됩니다. 이는 A와 B가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 마찬가지입니다.

고전역학과 양자역학의 차이

고전역학에서는 A의 상태가 이미 정해져 있지만 우리가 알지 못할 뿐이라고 봅니다. 즉, A를 관찰하면 그 상태를 확인하고 B의 상태를 유추할 수 있다고 생각합니다. 하지만 양자역학은 다릅니다. 양자역학에서는 A와 B가 관찰 전까지 0과 1의 중첩 상태로 존재한다고 봅니다. 이는 양자가 두 가지 상태를 동시에 가진다는 뜻입니다.

이 중첩 상태는 양자와 상호작용(관찰)하는 순간 붕괴되며, A가 1로 확정되면 B는 즉시 0으로 확정됩니다. 이 과정은 시간 차이 없이 동시에 일어납니다.

동시성과 특수상대성 이론의 모순?

양자얽힘의 동시성은 고전적인 상식과 충돌합니다. 아인슈타인의 특수상대성 이론에 따르면, 빛보다 빠른 정보 전달은 불가능합니다. 예를 들어, A가 지구에 있고 B가 달에 있다고 가정할 때, A를 12시 정각에 관찰해 1로 확정되면 B는 1.3초 뒤에야 0으로 확정되어야 합니다(빛의 속도로 정보가 전달되기 때문). 하지만 실험 결과, B는 시간 지체 없이 12시 정각에 0으로 확정됩니다.

아인슈타인은 이를 두고 양자역학이 불완전하다고 주장했으며, 양자얽힘을 "유령 같은 원거리 작용(spooky action at a distance)"이라고 비판했습니다. 그러나 수많은 실험은 양자역학이 옳다는 것을 보여줍니다.

시간이 없는 세계

이 모순을 해결하려면 시간의 개념을 재고해야 합니다. 특수상대성 이론에서 속도는 공간을 시간으로 나눈 값입니다. 하지만 시간이 0이라면 속도의 개념은 무의미해집니다. 즉, 시간이 없는 세계에서는 빛보다 빠른 속도 제한이 적용되지 않습니다.

양자얽힘에서는 A와 B의 상태가 동시에 결정되며, 이는 시간의 편차가 0인 상태, 즉 시간이 흐르지 않는 세계를 암시합니다. 이 세계에서는 공간의 거리가 의미가 없으며, 100m나 1000km나 동일한 결과를 보입니다. 이를 양자의 비국소성(non-locality)이라고 합니다.

물리학자 카를로 로벨리(Carlo Rovelli)는 그의 책 시간은 흐르지 않는다에서 시간이 존재하지 않는다고 주장합니다. 이는 양자역학의 세계를 이해하는 데 중요한 단서가 됩니다.

시간이 없는 세계의 특징

시간이 없는 세계에서는 다음과 같은 현상이 가능합니다:

• 하나의 입자가 여러 공간에 동시에 존재: 예를 들어, 입자가 A와 B 두 공간에 동시에 존재하거나, 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수 있습니다(파동의 성질).
• 중첩 상태: 입자가 동시에 여러 상태(예: 오른쪽 회전과 왼쪽 회전)를 가질 수 있습니다.
• 확률적 위치: 입자의 정확한 위치나 상태는 확률로만 표현됩니다.

이러한 특징은 양자역학의 핵심이며, 우리가 익숙한 시간과 공간의 개념을 넘어서는 현상입니다.

시간이 흐르는 세계의 특징

반면, 우리가 사는 거시 세계에서는 시간이 흐른다는 전제를 바탕으로 다음과 같은 특징이 나타납니다:

• 속도의 존재: 특수상대성 이론에 따라 빛보다 빠른 속도는 불가능합니다.
• 시간 소모: 공간 이동에는 시간이 필요하며, 같은 시간에 여러 공간에 존재할 수 없습니다.
• 정확한 위치: 특정 시간에 입자의 위치를 정확히 정의할 수 있습니다.
• 중간 과정: 공간 이동에는 중간 과정이 필요하며, 양자 도약 같은 순간 이동은 불가능합니다.

이중슬릿 실험: 시간의 탄생

그렇다면 시간은 언제 탄생할까요? 이를 알아낸 실험이 바로 이중슬릿 실험입니다. 이 실험은 입자가 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수 있는지, 즉 시간이 없는 세계의 특징을 보이는지를 확인합니다.

실험 결과, 입자가 다른 입자와 상호작용하지 않을 때는 두 구멍을 동시에 통과하며 간섭 무늬(파동의 성질)를 만듭니다. 하지만 입자를 관측하거나 상호작용하는 순간, 중첩이 붕괴되며 입자는 하나의 구멍만 통과합니다. 이 순간이 바로 시간이 없는 세계에서 시간이 흐르는 세계로 전환되는 순간입니다.

즉, 상호작용은 시간의 탄생을 결정하는 핵심 조건입니다. 우리가 거시 세계에서 시간을 느끼는 이유는 모든 것이 상호작용 속에서 이루어지기 때문입니다.

결론: 시간과 양자역학의 연결

양자역학이 어렵게 느껴지는 이유는 우리가 시간이 항상 존재하고 흐른다는 고정관념에 사로잡혀 있기 때문입니다. 하지만 양자역학에서는 시간이 없는 세계가 존재하며, 이 세계에서는 중첩, 비국소성, 동시성 같은 현상이 자연스럽습니다.

이중슬릿 실험을 통해 우리는 상호작용이 시간의 탄생을 결정한다는 것을 알 수 있습니다. 우리가 사는 거시 세계는 상호작용으로 가득 차 있으며, 이로 인해 시간이 흐르는 세계로 인식됩니다. 반면, 양자역학의 세계는 시간과 공간의 제약을 초월하며, 이를 이해하려면 시간에 대한 기존의 관념을 내려놓아야 합니다.

이 글은 김정희 코타 김정이의 시간을 통한 양자 얽힘 해석을 기반으로 작성되었습니다. 양자역학과 시간의 관계를 더 깊이 탐구하고 싶다면, 원본 영상을 참고하세요!

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