자.. 계속해서 과학 인사이드 이어갑니다. 
과학스토리텔러, 
웹진 인저리타임의 조송현 대표와 함께 하죠.
대표님 안녕하세요?
 
안녕하세요?

Q1. 이 시간에는
현대과학의 정수, 양자론의 세계로
여행을 떠나보고 있습니다. 
상식과 직관을 뛰어넘는 양자론 오딧세이..

몇주 전부터 
물리학사에 길이 남는 위대한 논쟁, 
보어-아인슈타인 논쟁을
함께 살펴보고 있는데요.
1, 2라운드에서는
아인슈타인이 완패를 했고..
지난 시간부터 
두 사람의 마지막 승부
이른바 EPR 논쟁이라고 불리는 3라운드의 
전개과정 짚어보고 있습니다. 

지난주에는  
EPR 논쟁의 개요와 더불어 
두 사람의 진검승부를 
제대로 감상하기 위한 예비지식을
좀 점검을 해봤구요. 
드디어 본론으로 
들어가 봅니다. 

자.. 이야기를 시작하면서 
먼저 그 유명한 EPR 논문에
어떤 얘기가 실려 있는지..
내용부터 짚어볼까요? 

-> 먼저 이 논문의 출발은 저자들, 즉 아인슈타인과 그의 동료들(Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen: EPR)의 관점부터 알고 가는 게 좋겠습니다. EPR은 양자역학의 이론적 예견치가 실험결과와 정확하게 일치하는 것은 사실이지만, 양자역학 자체는 미시세계를 서술하는 궁극적인 이론이 될 수 없다, 즉 양자역학이 완전히 틀렸다는 게 아니라 ‘불완전한 이론’이라는 것을 논증하려 했습니다.

Q2. 그러니까 양자역학을 
송두리째 부정하기보다는
허점을 파고 드는 전략을 
구사한 건데요.  
사실 앞선 두 번의 승부에서도 
마찬가지였어요. 
이들이 주목한
양자역학의 약한 고리.. 
불확정성 원리였는데..
이번에도 이곳을 
공격포인트로 삼은 건가요? 

-> 바로 맞혔습니다. EPR은 양자계의 모든 입자들이 임의의 순간에 명확한 위치와 속도(운동량)를 갖고 있으며, 따라서 불확정성 원리는 자연에 내재되어 있는 한계가 아니라 양자역학 자체의 한계라고 주장했습니다. 만일 모든 입자들이 명확한 위치와 속도를 갖고 있다면 그것을 제대로 알아내지 못하는 양자역학은 우주의 일부만을 서술하는 불완전한 이론일 수밖에 없다는 거죠. 다시 말하면 양자역학은 ‘엄연히 존재하는 물리적 실재’를 기술하지 못하기 때문에 불완전한 이론이며, 기껏해야 ‘완전한 이론으로 우리를 안내하는 디딤돌’ 정도일 뿐이라는 것이 EPR의 주장이었습니다.

 

Q3. 아인슈타인은 ‘불확정성 원리’를 
도무지 용납할 수가 없었나 봅니다. 
그런데 앞선 두번의 공격에서 
오히려 되치기를 당했는데..
또 같은 포인트로 공격해 들어간다?
승산이 있을까요?
이번엔 어떤 초식을 펼쳤는지 궁금한데.. 
여기서부턴 이야기가 좀 복잡해집니다. 

-> Q4. 사실 이 논문은 물리학도들에게도 쉽지 않습니다. 물리학에 철학까지 더해진 논증이니까요. 그래도 일단 한 번 들으시면 나중에 이해하시는 데 도움이 될 거라고 생각합니다. 논증 방식을 먼저 짚어보면요. EPR은 [물리학과 철학에서 고대부터 현재까지 온전하게 수용돼 온 ‘실재성(reality)’과 ‘국소성(locality)’의 개념이 물리적 실재에 관한 양자역학적 기술과 양립가능하지 않음]을 논증하려 했습니다. 즉 양자역학은 현상을 잘 설명하긴 하지만 실재를 완전하게 기술하지 못한다는 것입니다.

Q5. 현상과 실재.. 
실재성과 국소성.. 
이건 철학 용어 아닌가요? 
확실히 철학적인 뉘앙스가 강해지네요. 

-> 그렇죠? 실재성(Realitat, Reality)이란 철학용어로 관념성과 대립되는 개념인데, 우리 의식과 독립되어 객관적으로 존재한다는 의미입니다. 국소성(Locality)은 한 공간에서 일어나는 사건의 영향을 전혀 받지 않는 특정 공간이 존재한다는 의미이고, 국소성의 원리로 흔히 사용됩니다. 그러니까 영향을 주고 받지 않는 두 공간에 있는 두 물체는 서로 직접적인 영향을 줄 수 없다는 말이 됩니다. 아인슈타인은 이 국소성의 원리가 성립되지 않는다면 ‘닫힌 계’가 존재할 수 없고 따라서 물리법칙을 실험으로 증명할 수도 없을 것이라고 단언했지요.

Q6. 계속해서 짚었지만
코펜하겐 해석은 '측정을 통해서 물리적 실체가 정해지고
측정 효과는 빛보다 빠르게.. 순간적으로 전달이 된다'
이렇게 주장을 하는데,
이게 실재성과 국소성의 원리에 어긋난다
이 얘기로군요. 
 

-> EPR 논문은 앞에서 언급한 실재성과 국소성을 전제로 하면서 ‘완전성 기준’을 가설로 제시합니다. 즉 [특정 물리이론이 완전하다면, 그 이론은 물리적 실재(physical reality)의 각 요소에 대응하는 부분(counterpart)을 가져야 한다.] EPR은 이들 가설을 통해 양자역학이 불완전한 이론이란 것을 논증하기 위해 삼단논법으로 진행시킵니다.(대전제)만약 물리 이론이 완전하다면, 그리고 만약 위치(x)와 운동량(p)이 물리적 실재라면, 이 이론에는 이들 요소에 대한 완전한 기술이 있어야 한다.(소전제)양자역학에는 이들 물리적 실재에 대한 기술이 없다.(결론)그러므로 양자역학은 완전한 이론이 아니다.

Q7. 논증 방식 자체는 간단하네요. 
문제는 이걸 적용한 구체적인 사례일 텐데요. 
여기서도 사고실험을 동원한다구요? 

-> 그렇습니다. 아인슈타인과 그의 동료들은 마침내 입자의 위치와 속도를 모두 정확하게 측정할 수 있는 정교한 논리를 개발하는 데 성공했어요. 이 역시 사고실험인데 내용은 원리적으로 간단합니다. 

Q8. 과연 간단할까요? 일단은 소개를 좀 해 주시죠. 

->흔히 발생하는 물리적 현상 가운데 정지해 있던 한 입자가 두 개로 붕괴(decay)하는 경우가 있어요. 쌍입자라는 것인데요, 이때 운동량 보존법칙에 의해 두 입자는 반드시 반대방향으로 날아가며, 그들의 운동량의 절대값은 꼭 같습니다(두 입자는 질량이 정확하게 반분되고, 속력의 크기는 같고 방향이 반대).

-> 이 원리를 이용해 한 입자의 위치를 측정해서 알아내면 반대방향으로 날아가는 다른 입자(이 입자의 짝)의 위치도 자동적으로 알 수 있게 되겠죠? 따라서 한 입자의 상보적인 물리량인 운동량과 위치를 동시에 정확하게 파악할 수 있다는 것이 EPR 논증의 요지입니다.

Q9. 그러니까 쌍입자의 특성 상, 
쌍입자 중 하나의 위치를 포착하면 
다른 입자의 위치와 속도도 자동으로 알게 된다.. 
위치와 속도(운동량)를 둘 다 정확하게 파악할 수 있으니까 
불확정성 원리는 틀렸다.. 
이 말씀인데요. 
이제 이걸 사고실험을 통해서 증명해 보여야겠죠? 

-> 맞습니다. 실험을 해보면 되겠죠. 근데 문제는 EPR 논문의 국소성이라는 공리와 양자역학의 전제, 파동함수의 측정 원리와 충돌한다는 점입니다. 무슨 말인가 하면 공리라는 것은 증명이 필요 없는 대 전제이거든요. 국소성 원리에 의하면 쌍둥이 입자 A의 관측행위가 다른 쌍둥이 입자 B에게 영향을 주지 않습니다. 하지만 양자역학의 코펜하겐 해석에 의하면 입자의 파동함수는 온 우주에 걸쳐 있기 때문에 쌍둥이 입자 A의 위치를 관측하는 행위가 A의 운동량에 영향을 미치는 동시에 B입자에게도 영향을 주게 됩니다. 자, 어떻게 EPR 논증을 어떻게 하면 실험으로 판가름 가능하게 만들 수 있을까요? 다음 시간엔 이 문제와 보어의 반박을 소개하겠습니다.

네. 오늘도 시간이 아쉽네요. 
마지막 승부답게..
할 이야기가 넘치는데, 
다음주가 하이라이트가 될 것 같습니다. 
 
자.. 기대해 주시고, 
오늘은 여기까지.. 
지금까지 과학인사이드
조송현 대표와 함께 했습니다. 

대표님, 오늘도 귀한 말씀 
고맙습니다.

안녕히 계십시오.

 

<pinegoo3141@gmail.com>