I. 양자얽힘

안녕하세요?

세상 만물에 관심이 많은 사람입니다.

일전에 특수상대성이론이 직관적으로 잘 이해가 안 되는 부분이 있어서

‘사고썰 전자와 광자’를 올린 적이 있었는데요.

명색이 과학 게시판이니 전공자도 다수 계시리라는 생각에 도움을 얻을 목적이었는데..

오히려 오해의 여지가 많은 댓글로 머리만 복잡해져서 관심을 끊다가

그래도 양자얽힘이나 상대성이론에 관심이 있는 비전공자 몇 사람이라도 있다면

저랑 수준(?)이 비슷하므로 도움이 되지 않을까 하는 생각에 다시 글을 올립니다.

글이 제법 길기에 나누어서 올리겠습니다.

마음을 바꾼 계기가 된 통닭실종사건님이 쓴 아래 댓글입니다.

-이 게시판에서 유익한 정보를 제공해주는 고마운 분으로 알고 있습니다.

이렇게 임의로 올려도 되는지 잘 모르겠지만 불편했다면 사과드립니다.

‘그리고 양자얽힘을 잘못 이해하고 계신데 이를 관측한 대상은 정보를 얻을 수 있지만

이것은 전달이 불가능한 정보입니다. 양자얽힘은 이런 겁니다.

빨간 공과 하얀 공 두개를 색을 가린 채로 두 사람이 나눠 갖고

한사람이 1광년 떨어진 거리로 이동합니다.

이때 이동한 사람이 자신의 공의 색깔이 하얀색이란 걸 확인하면,

상대편 공의 색이 빨간색이라는 정보를 알 수 있습니다. 하지만 이는

전달할 수 없는 정보이며 변경한다고 해서 상대쪽의 상태가 바뀌는 것도 아닙니다.

단순히 광년 이상으로 떨어진 입자의 성질을 확인할 수 있다는 정도의 정보입니다.

따라서 이를 통해 정보를 주고받는 건 불가능합니다.‘

첫 번째 예로 든 ‘빨간 공과 하얀 공’

>> 관측행위 이전에 색이 결정되어 있으며 이것이 고전역학에서 말하는 결정론입니다.

코펜하겐 해석은 결정론을 부정하면서 확률로만 입자의 상태를 기술할 수 있다고 하는데

관측행위 이전에 빨간 공과 하얀 공으로 결정된 상태에서 사고실험을 할 수는 없지요.

두 번째는 ‘하지만 이는 전달할 수 없는 정보이며 변경한다고 해서

상대쪽의 상태가 바뀌는 것도 아닙니다.’

>> 관측 후에 다시 시야에서 사라지면 공은 다시 빨간색과 하얀색이 중첩된 상태입니다.

재관측해서 하나의 공이 만약 빨간색으로 바뀌면 다른 공은 하얀색으로 바뀝니다.

EPR(아인슈타인, 포돌스키, 로젠)이 제안했던 사고실험의 핵심은

‘관측이 행해지기 전까지는 입자는 모든 가능한 상태에 동시에 존재하며

관측을 할 때 하나의 상태만 얻어진다‘는 코펜하겐 해석에서

관측행위를 비판하기 위함입니다.

그래서 이들은 양자얽힘 상태의 전자를 가정하고 사고실험을 제안합니다.

양자얽힘 상태의 전자를 공으로 비유한다면 빨간 공과 하얀 공이 아닌

각 공들은 관측하기 전까지는 빨간 색과 하얀 색이 중첩된 두 개의 공입니다.

'먼저 두 공들을 몇 광년 거리만큼 멀리 보내고 나서 하나의 공을 관측합니다.

하나의 공의 색을 관측을 하면 빛보다 빨리 다른 공의 색도 관측 없이도 알 수 있습니다.‘

여기까지는 코펜하겐 해석을 전제로 하였기 때문에

코펜하겐 해석을 지지하는 학자들은 위 내용을 당연히 동의합니다.

바로 이 지점을 EPR이 공격하지요.

EPR은 우주는 국소적이어서 어떠한 정보도 빛보다 빠르게 전해질 수 없는데

하나의 공을 관측한다고 멀리 떨어진 다른 공의 색깔을 빛보다 빨리

즉각적으로 안다는 것은 상대성이론에 반하기에 양자역학은 완전치 않다고 주장합니다.

즉 사고실험을 해 보니까 양자얽힘이 상대성이론에 위배되잖아 >>

두 개의 공은 관측하기 전에는 중첩된 상태로 있는 게 아니고 이미 하나의 상태로

결정되어 있는 걸 우리가 관측을 통해서 이미 결정된 거를 확인하는 거뿐이라고! >>

따라서 현재의 양자역학은 완전치 않으며 더욱 근본적인 이론(숨은 변수이론)이 있을 거야.

-이전까지 아인슈타인의 사고실험을 보어가 일반상대성이론으로 방어한 것처럼

EPR의 사고실험은 코펜하겐 해석을 빌려서 코펜하겐 해석을 비판합니다.

그런데 훗날 벨과 아스페 등은 아이러니하게도 어떤 특정한 형태의 정보는

빛보다 빠르게 전달된다는 것을 실험을 통해서 증명을 하게 되지요.

물론 그렇다고 위 실험이 유용한 정보의 교환을 의미하지는 않습니다.

결국 EPR이 제안했던 사고실험은 EPR역설로 불리게 됩니다.