A quantum experiment suggests there’s no such thing as objective reality

양자 실험이 말한다 “객관적 현실은 존재하지 않아”

물리학자들은 오랫동안 양자역학(Quantum Mechanics)에서 두 관찰자가 서로 다른 상충되는 현실을 경험할 수 있다고 추측했다. 이를 입증하기 위해서 물리학자들은 첫 실험을 수행했다.

노벨상 수상자인 물리학자 유진 위그너(Eugene Wigner)는 1961년 양자역학의 역설 중 하나를 보여주는 사고 실험(Thought Experiment)을 시도했다. 이 실험은 우주의 특이한 속성이 어떻게 두 관찰자(위그너와 위그너 친구)가 서로 다른 현실을 경험하게 하는지 보여준다.

이후 물리학자들은 ‘위그너의 친구(Wigner’s Friend)’ 사고실험을 이용해 측정의 본질을 탐구했다. 그리고 객관적 사실 존재 여부에 대해 논쟁을 벌였다. 과학자들은 객관적인 사실을 규명하기 위해 실험을 하기 때문에 이러한 논쟁은 중요한 이슈였다. 그러나 만약 과학자들이 서로 다른 현실을 경험한다면, 객관적인 사실이 무엇인지 어떻게 서로 합의할 수 있을까? 이 이슈는 저녁 식사 후 나눌 만한 흥미로운 대화 소재였다. 하지만 위그너의 사고 실험은 그 이상 진행되지 않았다.

그러나 지난해 물리학자들은 최근 양자 기술의 발전으로 실제 실험에서 위그너의 친구 실험을 재현할 수 있게 됐다는 점에 주목했다. 즉, 서로 다른 현실을 만들고 연구실에서 비교를 통해 양립 여부를 파악하는 것이 가능해졌다.

그리고 에딘버러 헤리어트 와트 대학의 마시밀리아노 프로이에티(Massimiliano Proietti)와 동료 몇명은 이 실험을 처음으로 수행했다고 밝혔다. 그들은 서로 다른 현실을 만들어 비교했다. 위그너가 옳았다. 이러한 현실은 서로 양립할 수 없어서, 실험에 대한 객관적 사실에 합의하는 것이 불가능하다는 것을 보여줬다.

위그너의 독창적인 사고 실험은 원칙적으로 간단하다. 사고 실험은 측정했을 때 수평 편광(Horizontal Polarization)이나 수직 편광(Vertical Polarization)이 있는 단일 편광 광자(Single Polarized Photon)로 시작한다. 그러나 측정에 앞서 양자역학 법칙에 따라 광자는 두 편광 상태가 동시에, 소위 중첩 상태(Superposition)로 존재한다.

위그너는 다른 연구실에서 이 광자 상태를 측정하여 결과를 저장하는 친구를 상상했고, 멀리서 관찰했다. 위그너는 친구의 측정에 대한 정보가 없으므로, 실험의 가능한 모든 결과에 중첩이 있다고 가정할 수밖에 없다.

위그너는 중첩의 존재 여부를 판단하기 위해 실험을 수행할 수도 있다. 광자와 측정이 실제로 중첩 위치에 있음을 보여주는 일종의 간섭 실험(Interference Experiment)이다.

위그너의 관점에서 이것은 ‘사실’이다. 중첩은 존재한다. 그리고 이 사실은 측정이 일어날 수 없음을 암시한다.

그러나 실제로 광자의 편광을 측정하고 기록한 친구의 관점과는 극명한 대조를 이룬다. (결과가 공개되지 않았다면) 위그너 친구는 위그너에게 전화를 걸어 측정이 끝났다고 말할 수도 있다.

그래서 두 가지 현실은 서로 상충된다. 프로이에티와 동료들은 “이로 인해 두 관찰자가 정립한 사실의 객관성에 의문이 제기된다”고 말했다.

이론상으로는 그렇지만, 지난해 오스트리아 빈 대학의 카슬라프 브루크너(Caslav Brukner)는 많은 입자가 동시에 얽히는 기술을 이용해 위그너의 친구 실험을 연구실에서 재창조할 수 있는 방법을 고안해 냈다.

프로이에티와 동료 연구진이 이뤄낸 진전은 이를 실행하는 것이다. 그들은 “최첨단 6광자 실험에서 우리는 위그너의 친구 시나리오가 확대되었음을 깨닫는다”고 주장한다.

프로이에티와 동료 연구진은 여섯 개의 얽힌 광자를 사용하여 두 개의 다른 현실을 만들어내는데, 하나는 위그너를 나타내고 하나는 위그너의 친구를 나타낸다. 위그너의 친구는 광자의 편광을 측정하고 결과를 저장한다. 그런 다음 위그너는 간섭 측정(Interference Measurement)을 수행하여 측정과 광자가 중첩 상태에 있는지 판단한다.

실험은 명백한 결과를 낳는다. 위그너가 예상한 대로, 양립불가능한 결과가 나왔지만 두 현실은 공존할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 우리가 살고 있는 현실의 본질을 재고해볼 수 밖에 없는 몇 가지 흥미로운 질문을 던지게 한다.

관찰자들이 궁극적으로 어떤 종류의 근본적 현실 측정을 조정할 수 있다고 생각하는 것은 여러 가정에서 비롯되었다. 첫째는 보편적 사실이 실제로 존재하고 관찰자들이 보편적 사실에 동의할 수 있다는 것이다.

다른 가정도 있다. 하나는 관찰자들이 원하는 관찰을 자유롭게 할 수 있다는 것이다. 또 다른 가정은 관찰자의 선택이 다른 관찰자의 선택에 영향을 미치지 않는다는 것이다. 이것이 바로 물리학자들이 지역성(Locality)이라고 부르는 가정이다.

만약 모든 사람이 동의할 수 있는 객관적 현실이 있다면, 이러한 가정은 모두 유효하다.

그러나 프로이에티와 동료들의 결과는 객관적 현실은 존재하지 않는다는 것을 시사한다. 즉, 실험은 하나 이상의 가정(즉, 우리가 동의할 수 있는 현실이 있다는 생각, 선택의 자유가 있다는 생각, 또는 지역성에 대한 생각)이 틀렸다는 것을 암시한다.

물론 전통적인 현실 관점을 고수하는 사람에게 또 다른 출구가 있다. 실험자들이 간과한 다른 허점이 있다. 실제로 물리학자들은 허점을 전면 차단하는 것이 결코 가능하지 않을 수도 있음을 인정하면서도, 수년 동안 비슷한 실험에서 허점을 줄이려고 노력해왔다.

그럼에도 불구하고 이 연구는 과학자들의 작업에 중요한 영향을 미친다. 프로이에티와 동료 연구진은 “과학적 방법은 관찰의 주체와는 별개로, 반복적 측정을 통해 확립되고 보편적으로 합의된 사실에 의존한다”고 말했다. 하지만 같은 논문에서 이 아이디어는 상당히 힘을 잃는다.

다음은 한 단계 더 나아가서, 양립할 수 없는 점점 기이한 대체 현실(Alternate Reality)을 창조하는 실험을 하는 것이다. 이 실험이 과연 우리를 어디로 데려갈지 그 누구도 예측할 수 없다. 위그너와 위그너의 친구는 전혀 놀라지도 않겠지만 말이다.

참고: arxiv.org/abs/1902.05080 : 양자세계의 관찰자-독립성에 대한 실험적 거부

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