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아인슈타인은 왜 반대했을까?(1)



1. 나랑 만나기전에 어디 있었니?


항상 스케줄이 꽉 짜여 있는 친구가 있습니다. 그 친구는 자기의 일정을 항상 다이어리에 적어 둡니다. 이 친구의 다이어리를 슬쩍 훔쳐봅시다.

10월 11일 밤 :  │ 롯데삼성전 대구에서 관람 > ＋ │ MSL 32강 오프모임참가 >
앙?? 이게 무슨 소리지?

“야..너 11일 밤에 스케줄은 무슨 의미야?”
“아..그건 대구에서 준플레이오프 경기 구경할 확률이 50%, 용산에서 스타경기 관람을 할 확률이 50% 라는 얘기지.”
“엉? 나 그때 용산에서 너 MSL 구경하는거 봤는데? 용산에 있었던 거 아냐?”
“그래.. 그때 너랑 용산에서 만났지...하지만 똑같은 상황이 또 벌어지면 아마 날 용산에서 못 볼 수도 있을 거야...그땐 대구에 있을 수도 있으니까....”
“뭔 소리여? 그럼 나랑 만나기 직전엔 어디 있었는데?”
“대구야구장에 있을 확률이 50% 였고 용산 경기장에 있을 확률이 50%였어..”
“ㅡ.ㅡ;; 그러니까 그때 어디에 있었냐구... 나 만나기 10분 전이면 서울역이나 아니면 용산 근처에 있었겠지!!! 니가 수퍼맨이냐? 대구랑 서울이랑 순식간에 왔다갔다하게..”
“오해가 있는 것 같은데...내 말은 서울에 있을 확률이 50% 라는 거야...  니가 날 용산에서 본 건 그 50%의 확률인거지.. 대구와 서울을 왔다갔다 한건 아니야.”
“ㅡ.ㅡ;;; 무슨 헛소리야? 그럼 대구랑 서울에 동시에 있었단 얘기야?”
“굳이 그렇게 생각한다면 틀렸다고 말하지는 않겠어..중요한 건 내가 11일 밤에 어디 있었는지는 니가 날 만나기 전까지 결정되어 있지 않았다는 거지.”

이렇게 말하는 친구가 있다면 웃기지 말라고 한 대 쥐어박을 테지요..
미친 소리같지만.... 저 친구를 전자나 원자로 바꾸면 바로 양자역학이 됩니다.
상식적으로 생각할 때 완전히 말도 안 되는 이야기죠...

아인슈타인 역시 그렇게 생각했지요..
저 친구가 서울과 대구에 동시에 존재한다니...그런 엉터리가 어디있나..
만일 용산에서 저 친구를 만났다면 만나기 직전에는 용산 근처에 있었던 것이 틀림없지..

아인슈타인의 이러한 합리적인 사고의 근원은 바로 국소성의 원리(principle of locality)입니다.
만일 저 친구를 용산에서 봤다면 그럼 대구에 있는 그 친구의 분신(?)은 순간적으로 사라진다는 말인가? 친구를 서울에서 관측한 나의 행동이 대구에 존재했을 친구상태에 순간적으로 영향을 준다는 것은 절대 있을 수 없다!!!

양자역학은 탄생 초기부터 이렇듯 비국소성을 내포하고 있었습니다.
하지만 물리학자들은 양자역학이라는 도구를 사용한 결과가 너무나 정확해서 이러한 것에 신경을 쓰지 않았습니다.(혹은 애써 외면했습니다.)
아인슈타인은 양자역학을 보자마자 이러한 비국소성을 바로 간파합니다.
국소성의 원리를 확립한 장본인인 아인슈타인에게 양자역학은 완전히 틀렸거나, 적어도 더 깊은 이론이 필요한 불완전한 학문이었지요..



*태종인 동시에 연개소문? 유동근이 누구인지는 당신이 TV를 볼 때 결정된다*



2. 반격-신은 주사위 놀이를 하지 않는다.


많은 물리학자들은 양자역학의 의미같은 것에 신경쓸 겨를이 없이 그저 “닥치고 계산” 하는 태도를 취했습니다.
아인슈타인은 물리학에서 이런 애매모호한 태도를 결코 용납하지 않았습니다.
아인슈타인과 보어의 논쟁!!! 20세기 위대한 두 천재의 싸움이 바야흐로 시작됩니다.


*최종 보스들*

아인슈타인의 첫 번째 타깃은 불확정성의 원리(uncertainty principle)입니다.
불확정성의 원리란 입자의 위치와 운동량(대략적인 의미로 속도)을 동시에 정확히 알 수 없다는 것입니다.
(불확정성의 원리 자체를 자세히 설명하기엔 지면이 너무 많이 필요하기 때문에 일단 그냥 받아들입시다. 나중에 기회가 되면 불확정성 원리에 대해 글을 쓰겠습니다.)

불확정성의 원리는 양자역학을 받치고 있는 최후의 보루였기 때문에 아인슈타인은 이것이 무너지면 양자역학을 무너뜨릴 수 있다고 생각했습니다.
그러나....
아인슈타인의 공격은 번번이 보어에 의해 무참히 격퇴됩니다. 아인슈타인은 불확정성의 원리에 위배되는 실험을 고안하지만 보어는 그 실험의 허점을 정확하게 짚어내었고 이것은 오히려 양자역학을 더 탄탄히 만들어 주는 결과가 되어버립니다.

결국 아인슈타인은 불확정성의 원리에 대한 공격을 중단합니다. 하지만 아인슈타인을 괴롭힌 것은 불확정성 원리 그 자체는 아니었지요...
양자역학의 비국소성(non-locality)!!! 모두가 애써 외면했던 진실!!
아인슈타인은 드디어 핵심을 찔렀고 물리학자들은 경악합니다.



3. 멀더, 스컬리 둘 중 누구를 믿을 것인가...


제 얘기에 심심찮게 등장하는 멀더와 스컬리를 또 불러봅시다.

멀더 : 스컬리.. 외계인이 내 책상에 상자를 여러 개 두고 갔어요.
스컬리 : 믿기지는 않지만 어디 한번 봐요..
멀더 : 상자 겉에 이렇게 써있군요.
“이 상자는 2개가 한 쌍이며 하나는 지구 나머지 하나는 화성에 있다. 지구에 있는 상자에 빨간공이 들어있으면 화성에는 파란공, 지구에 파란공이 들어있으면 화성에는 빨간공이 있도록 만들어 졌다. 공의 색깔은 상자를 여는 순간 결정된다.”

스컬리 : 웃기는 외계인이군요...

멀더 : 스컬리..외계인의 말이 사실인 것 같아요. 방금 나사에서 연락이 왔는데 화성탐사선으로 확인한 결과 정확히 지구에 있는 공의 색깔과 반대라고 하는군요.
정말 놀랍군요. 지금 내가 이 상자를 열면 즉시 화성에 있는 공의 색깔이 결정되는 겁니다. 지구에서의 나의 행동이 순간적으로 화성에 영향을 미치는 거군요.

스컬리 : 멀더...그건 말도 안 돼요. 그런 유령같은 원격작용(spooky action at a distance)이 존재할 리가 없어요. 상자 속에 있는 공의 색깔은 원래 결정되어 있는 것이라고 생각하면 간단해요. 멀더가 상자를 여는 건 단지 원래 공 색깔을 확인하는 것뿐인 거구요. 화성에 있는 공도 원래부터 지구에 있는 공의 색깔과 반대로 담겨져 있던 거죠


멀더와 스컬리의 이야기에 나오는 빨간공과 파란공의 상태를 물리용어로 얽힘(entanglement)라고 합니다.
역시 생소한 용어지만 사실 이런 얽힌 상태는 일상생활에서 흔히 볼 수 있습니다.
서랍에 있는 양말 한 짝이 오른쪽이라면 읽어버린 짝은 왼쪽임을 즉시 알 수 있지요...
양말 한 켤레는 서로 얽혀있는 상태라고 말할 수 있습니다.
하나의 상태를 알면 나머지 것의 상태도 즉시 알 수 있는 얽힌 상태, 아인슈타인은 비장의 무기를 꺼내들었습니다.

아인슈타인의 논리를 따라가 봅시다. 바로 스컬리의 논리입니다.

(1)지구에 있는 상자를 열어보아 공의 색깔이 파란색이라면 화성에 있는 공은 빨간색임을 즉시 알 수 있다.
(2)만일 자연의 법칙이 국소성의 원리를 따른다면(아인슈타인, 그리고 그 당시 모든 사람들이 절대적으로 믿었던 것처럼) 지구에서 상자를 열어 공의 색깔을 확인하는 것은 화성에 있는 공의 색깔에 바로 영향을 주지는 못한다.(화성이 아니라 안드로메다라고 하면 이해가 더 쉽지요..)
(3)따라서 지구에서 상자를 열어 공의 색깔을 확인하기 전에 이미 화성(혹은 안드로메다)에 있는 공의 색깔은 빨간색이 틀림없다.
(4)하지만 양자역학은 상자를 열어보기 전까지 화성에 있는 공의 색깔을 정확히 예측하지 못하며 다만 확률만을 알려줄 뿐이다. 그러므로 양자역학은 불완전한 이론이다.



*얽혀있는 공 : 지구의 공이 파란색이면 화성의 공은 빨간색이다*

이것이 그 유명한 EPR 패러독스입니다.(논문 저자인 Einstein-Podolsky-Rosen의 머리글자를 딴 것입니다.)
EPR 패러독스의 핵심은 국소성의 원리입니다.
만일 국소성의 원리를 절대적으로 받아들인다면 양자역학은 틀린 것입니다!!!
바꿔 말하면 만일 양자역학이 옳은 것이라면 자연의 법칙은 비국소적입니다!!!!

양자역학과 국소성의 원리는 양립할 수 없다. 둘 중 하나만 받아들여야 한다!!!
멀더(양자역학)가 옳은가? 스컬리(국소성의 원리)가 옳은가?
이것이 바로 아인슈타인이 물리학자들에게 날린 매서운 회초리였습니다.


모든 물리학자들은 충격에 빠집니다. 보어는 EPR 패러독스를 해결할 때 까지 모든 연구를 중단하겠다고 선언합니다.
국소성의 원리냐 양자역학이냐... 이건 엄마가 좋아 아빠가 좋아 하는 것 보다 물리학자들에게는 천만 배는 더 난감한 선택이었습니다.

국소성의 원리는 뉴턴역학 이전부터 모든 이들에게 절대적인 진리로 믿어져왔습니다.
또한 양자역학은 단 한 번도 틀린 적이 없습니다.
둘 중 하나만을 선택해야함이 분명하지만 물리학자들은 도저히 그런 선택을 할 수 없었기에 궤변을 늘어놓습니다.

“관찰자가 화성(혹은 안드로메다)에 있는 공의 색깔을 직접 확인하기 전까지 우리는 화성(혹은 안드로메다)에 있는 공의 색깔에 대해 말하는 것은 무의미하다.
숲에 있는 나무가 쓰러지더라도 아무도 듣는 사람이 없으면 무의미하다.
하늘의 달은 우리가 보기 전까지 존재한다고 말하는 것은 아무런 의미가 없다!!!!“

이것이 EPR 패러독스에 대한 보어의 대답입니다.
(물론 나무와 달은 비유입니다. 양자역학은 미시세계에만 적용되는 것이지 실제 나무와 달에 적용되는 것은 아닙니다.)
무슨 생각이 드나요? 저런 대답은 물리학이 아니라 불교 고승이 제자들에게 던지는 화두처럼 느껴집니다.
이런 선문답을 아인슈타인(혹은 정상적 사고방식을 가진 모든 사람들)이 받아들일 리가 없습니다.

도대체 관찰자가 무엇이건데 자연의 법칙을 좌지우지 하는가?
관찰자는 의식과 지능이 있는 존재만을 말하는 것인가?
고양이는 관찰자의 역할을 할 수 있는가? 아메바는? 바이러스는?
원자는 자기 자신을 관찰하지 못하는가?
아무런 관찰자가 없던 초기우주는 현재 우주와 다르다는 말인가?

보어의 대답은 문제를 해결하기는커녕 더 난감한 문제를 낳을 뿐이었고 아인슈타인은 끝내 양자역학에 반대하며 1955년 죽음을 맞이합니다.



4. 영웅의 유산


아인슈타인의 죽음으로 EPR 패러독스는 점차 잊혀 갑니다.  
아인슈타인은 양자역학의 본질을 깊이 통찰하고 있었고 끝내 그 해답을 찾지 못해 양자역학을 받아들이지 않았습니다.
“신은 주사위 놀이를 하지 않는다.” 로 흔히 알려져 있지만 “하늘의 달은 누군가 보고 있지 않아도 그 자리에 있다.” 라는 문구가 아인슈타인에게 훨씬 더 잘 어울립니다.

해결된 것은 아무것도 없지만 이 위대한 천재를 제외하고는 양자역학의 본질적 문제에 별 관심이 없었던 듯합니다.
보어가 저런 선문답과 같은 해답을 내놓은 이유는 멀더가 옳은지 스컬리가 옳은지 확인할 방법이 없다고 생각했기 때문입니다.
어쨌든 공의 색깔을 확인하기 위해서는 상자를 열어봐야 하는 것이고 공색깔이 미리 정해져 있건 상자를 열 때 정해지건 그것을 구별할 방법이 없다고 믿었던 것이지요..
물리학자들은 확인할 방법이 없는 사실에 대해서는 관심을 보이지 않습니다.
다른 우주에 뭐가 있는지, MIB 엔딩처럼 우리 우주는 초거대 종족이 가지고 노는 구슬에 불과한지..그런건 물리학자들의 관심 사항이 아닌거죠..

여기서 이야기 끝나면 씁쓸히 잊혀지는 영웅에 대한 추억담 정도가 될 것입니다.
그러나... 위대한 영웅이 남긴 유산은 또 한 번 물리학을 뒤흔들게 됩니다.
그 이야기는 3부에서...



*본 사진은 내용과 무관합니다.*