| [ sciEncE ] in KIDS 글 쓴 이(By): guest (guest) <glaciers-110.sli> 날 짜 (Date): 2002년 12월 5일 목요일 오전 02시 47분 14초 제 목(Title): 양자역학 실험 질문입니다. 아래의 글을 어디서 보고 궁금한 게 있어 질문 드립니다. 혹시 실험 물리학을 하시는 분이 있다면 자세히 설명해 주셨으면 감사하겠습니다. 우선 아래는 제가 본 기사입니다. 벨(Bell)의 실험과 무슨 관련이 있는 듯 하군요. ==(여기부터) "도깨비 원격작용" 상대론 시험을 통과하다 물리학자들 광자 도깨비를 모순의 함정으로 몰아넣어 잡으려 하다 그러나 광자 도깨비 자신들의 양자 이야기를 계속 이어나가다 양자역학의 기반을 가장 위협하는 개념은 아마도 "도깨비같은 원격작용(spooky action at a distance)"이리라. 이 개념이 말하는 바는 입자들끼리는 광대무변한 우주 공간을 가로질러 동시에 서로서로 영향을 주고받을 수 있다는 것이다. 아인슈타인은 반평생을 바쳐 그러한 이른바 비국소적 현상(nonlocal effects)을 물고 늘어지며 양자론에 반대했다. 그 뒤로 다른 물리학자들 또한 논문을 쓰거나 실험을 할 때 아인슈타인의 뒤를 따랐다. 그런데 최근 제네바에서, 그런 양자적 초현실성의 특징이 사상 가장 위협적인 함정을 뛰어넘는 결과가 나왔다. 그 함정은 아인슈타인의 상대성 원리에 담겨진 근본 법칙을 동원해 양자적 초현실성을 공략하는 일련의 실험이었다. 그러나 실험 결과는 "도깨비 원격작용"이 얼마나 빠르게 일어나는지 지금까지 나온 측정치로는 가장 정확한 측정치를 보여줬다. "[제네바 연구소]에서 한 건 해낸 걸 보고 정말 흥분되더군요" 하고 몬트리올 대학의 교수이자 양자 컴퓨터 전문가인 쥘르 브라사르(Gilles Brassard)는 말했다. "정말입니다. 만일 실험 결과가 다르게 나와 가지고 상관관계라는 현상이 모습을 보이지 않았다면, 그땐 아마 노벨상감 실험이 되었을 겁니다." 스위스의 연구진은 얽힘(entanglement)이라고 알려진 양자 입자들 사이의 긴밀한 연결성(linkage)을 정밀하게 관측했다. 예를 들어 과학자는 광자들이 얽히도록 하기 위해, 실험 장치를 써서 광자들이 서로 정반대의(하지만 확인되지 않은) 편광과 짝을 이루도록 할 수 있다. 만일 한 광자가 수직 편광을 보인다면, 상대편 광자는 반드시 수평 편광을 보일 것이며, 그 역도 마찬가지가 된다. 그러나 양자 세계에서 한 광자는, 수평적 상태인지 수직적 상태인지가 불확정적인 "중첩(superposition)" 상태로 존재할 수 있다. 즉 누군가가 그 광자를 측정해야만 비로소 편광이 결정되는 것이다. 그렇다면 만일 얽혀 있는 광자들 중에 하나가 관찰 결과에 따라, 예컨대, 수평적 편광을 보인다면, 상대편은 그와 동시에 반드시 수직적 편광을 보이게 마련이다. 심지어 그 광자가 수십억 광년이나 떨어져 있어도 이 사실이 성립한다. 그 어떤 방법인지는 몰라도 이쪽의 광자는 멀고 먼 저쪽의 쌍둥이한테 신호를 보내는 것이다. 이처럼 연결돼 있는 입자들을 아인쉬타인과 두 공동 연구자의 이름을 따서 EPR 쌍(짝)이라고 부른다. 즉 1935년 세 과학자가 그 입자쌍의 초광속 상호교신이 상대성 원리를 위반한다고 주장하며 양자론을 공략한 데서 유래한다. (뒷날 물리학자들은 아무런 위반이 없음을 밝혀냈다. 왜냐하면 EPR 쌍이 전송하는 "양자 정보(quantum information)"란 유의미한 정보를 실어나르는 데는 쓰일 수가 없기 때문이다.) 그런데 1996년, 스위스의 물리학자인 앙트완 수아레즈(Antoine Suarez)와 발레리오 스카라니(Valerio Scarani)는 EPR 쌍이 아인쉬타인의 상대성 원리 가운데 시간의 상대성(the relativity of time)이라는 근본 원리와 충돌한다고 주장했다. 아인쉬타인은 시간의 흐름은 물론 더 나아가서 사건의 순서까지도 관찰자가 얼마나 빨리 움직이느냐에 따라 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 수아레즈와 스카라니는 한 사고실험을 구상해냈다. 즉 한 실험자가 얽힌 광자쌍을 발생시켜 그 각각을 각기 다른 입자 검출기로 쏴 보낸다. 만일 두 검출기가 정지해 있다면, 어느 입자가 먼저 도착하는지 쉽게 판별해낼 수 있을 것이다. 그러나 수아레즈와 스카라니가 밝힌 바에 따르면 그렇지가 않다. 즉 한 대의 검출기가 광속에 가까운 속도로 움직이고 있다면, 그 때문에 상대론적 왜곡이 발생한다. 이때 각각의 입자는 상대편 입자가 아직도 날아가고 있는 도중인데도 이미 검출기에 도달해버리는 상황이 발생한다. 입자 각각은 먼저 중첩에서 벗어나 자신의 편광을 선택하고, 그런 다음 신호를 보내 상대편 입자가 정반대 편광을 취하도록 한다는 것이다. 그런데 만약 두 입자 중 어느 누가 발신자이고 어느 누가 수신자인지에 대해 서로 의견이 엇갈린다면, 과연 그들이 어떻게 서로 교신할 수 있겠는가? 수아레즈와 스카라니는 할 수 없다고 말한다. 양자역학의 표준해석과는 상반되게[양자역학에서는 그 입자들이 어떤 식으로든 예의 "먼저-먼저(before-before: 앞서-앞서) 상황에서조차도 반드시 얽힌 상태를 유지한다고 본다], 얽힘은 풀어지게 되고 따라서 입자 개개의 운명 또한 상대편의 운명과는 상관이 없게 된다. 제네바의 과학자들은 표준해석에 반하는 그 결론을 실험적으로 검증해 보았다. 과학자들은 자신들의 연구실에서 칼륨과 니오븀 그리고 산소로 만들어진 결정체(crystal)에 레이저 광선을 투사시켰다. 그 결정체는 레이저에서 하나의 광자를 흡수하여, 두 개의 얽힌 광자를 방출했다. 두 개의 얽힌 광자는 각기 다른 광섬유 전선을 타고 가서, 서로 10.6킬로미터 떨어져 있는 베르넥스(Bernex)와 벨레뷰(Bellevue)라는 마을 근처에 설치해 놓은 검출기에 도달했다. 이 실험에서 그 광자쌍을 얽어 놓은 것은 편광이 아니라 양자역학적으로 결합돼 있는 에너지(힘)와 시간맞춤(timing: 시간조절, 계시)이었다. "광자들 각각은 불확정적인 에너지를 지니고 있습니다. 그러나 두 광자가 지닌 에너지의 총량은 완벽하게 파악이 되죠" 하고 연구진의 일원인 니콜라스 기신(Nicolas Gisin)은 말한다. 광선 속에 포함된 여러가지 광자들이 검출기에 도달했을 때 과학자들은 놀라울 만한 정확도(약 5피코 초; 1 picoseconds = 10^{-12} = 1조분의 1초)로 측정을 하여, 어떤 광자들이 얽혀 있었는지 판별해낼 수 있었다. 이러한 측정 결과에 따라 과학자들은 양자 정보가 광속의 10^{7}(1천만)배보다 빠르게 전송돼야만 한다고 결론내렸다. 만일 그렇지 않다면, 얽힌 입자들 사이의 상관관계(correlation)는 깨져버릴 것이다. 진짜 재미있는 일은 다음부터였다. 과학자들은 상대론적인 "먼저-먼저(before-before: 앞서-앞서)"의 변칙성(anomaly; 이상현상)을 만들어내기 위해, 실제로 벨레뷰 검출기를 분당 약 10,000회 회전시켜 상대론적 속도를 크게 끌어올렸다. 이때 보통의 일반적인 측정 장치라면 엄청난 회전 속도 때문에 산산조각이 되어 날아가버린다. 그래서 제네바 연구진은 교묘한(그러나 논란의 여지가 있는) 대체 장치를 생각해냈다. 즉 간섭계(interferometric analyzer)라는 장치를 사용하여 벨레뷰 쪽에서 광선을 다시 쪼갠 다음, 분리된 광자를 두 갈래 길(경로)로 동시에 보냈다[쪼갰다는 말은 파동 입자들(wave particles)이 운동하는 성향을 그대로 따랐다는 뜻이다]. 한 쪽 길은 회전 원통에 검은 종이를 감싼 모조 검출기에 이르도록 하고, 다른 쪽 길은 고정된 검출기에 이르도록 했다. 고정된 검출기에 아무런 신호도 잡히지 않는다면 그것은 광자가 검은 종이로 가서 부딪쳤음을 의미한다. 이에 대해 기신은 말한다. "광자를 흡수하는 검은 종이 표면과 검출기 사이에는 아무런 차이가 없습니다." 회전 운동을 하는 종이 표면은 상대론적인 먼저-먼저 상황(before-before situation)을 발생시킨다. 왜냐하면 그 표면은, 광자들을 시작 단계에서 얽힌 상태로 방출하는 결정체로부터 저 멀리 떨어진 곳에서 회전하고 있기 때문이다. 그러므로 (상대성 원리에 따라 - 옮긴이) 벨레뷰 쪽의 광자들이 베르넥스 쪽에 있는 자신들의 EPR 짝꿍들(EPR partners)보다 먼저 검출기에 도달하리라고 예상할 수 있다. 그 역도 또한 마찬가지다. 그런데 고정된 검출기 쪽에서 나온 예상에 반하는 결과는 바로 그 광자쌍들이 얽혀 있었다는 사실을 실험자들에게 알려주는 셈이었다. "검출기에 나타난 건 '무신호(no click)'뿐이었습니다. 바로 그것이 우리가 원한 유일한 정보였죠" 하고 기신은 말한다. 기신의 연구진은 모조 검출기가 정지해 있는 때와 회전하는 때의 두 가지 경우 모두, 베르넥스 쪽과 벨레뷰 쪽 광자들 사이의 상관관계를 측정했다. 결과에 따르면, 얽힌 광자들은 얽힌 상태를 여전히 유지했다. 설사 각각의 광자가 먼저 검출기에 부딪쳤으리라 예상한 경우에도 결과는 마찬가지였다. 아인쉬타인의 이론틀은 전혀 도깨비의 상호작용(spooky action)을 막지는 못했던 것이다. 다른 과학자들은 그 실험 결과가 인상적이긴 하지만 그다지 결정적이지는 못하다고 말한다. "실험적 관점에서 보면 정말 아름답습니다. 하지만 가정이 너무 많다는 게 문젭니다" 하고 오스트리아 인스부르크 대학의 물리학자인 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)는 말한다. 예컨대, 한 장의 회전하는 종이 검출기가 실제의 회전하는 검출기 노릇을 할 수 있는지는 아무도 확신하지 못한다. 실험자들은 또한, 대부분의 물리학자들도 그러하듯이, 광자가 한 검출기에 부딪치는 바로 그 순간에 자신의 양자 상태를 선택한다고 가정했다. 그러나 일련의 양자역학의 공식들 하에서는, 광자가 실험상의 다른 시점에서 선택을 하는 것으로 나타난다. 심지어 그 선택은 한 의식적 존재가 컴퓨터에 나타난 자료를 최종적으로 확인하는 순간까지 늦어지기도 한다. 차일링거는 아마도 빠르고 무작위적으로 작동하는 스위치들을 실험 장치에 첨가함으로써 그 가능성을 줄일 수 있을 것이라고 내다본다. 그러나 과학자들은 그 실험 결과를 해석하고 나서 제네바 실험은 과학기술의 개가라고 입을 모은다. "어떤 의미에서 그 결과는 실험적 연구의 새로운 계통을 세웠다고 할 만합니다" 하고 수아레즈는 말한다. "상대론적 틀 속에 양자역학을 접목한다고 할 수 있는 것이죠." --촬스 사이페 [원문 출처] Seife, Charles (2000), 'Spooky action' passes relativistic test, Science Vol. 287: 17 March 2000, pp. 1909-1910. ====(여기까지) 0. 제가 기억하기에 EPR 논문의 주장은 얽혀있는 한 쌍의 입자(예를 들면 반대되는 스핀을 가진 한 쌍의 입자)가 충분한 거리로 멀어진 다음 한쪽 입자의 스핀을 검사하면, 양자 역학의 원리에 의하여 다른쪽 입자의 스핀은 <자동적으로> 결정되어야 하기 때문에 <동시에> 두 입자의 상태를 알 수 있다는 결론이 나오게 되어 상대론의 가정인 광속 불변의 원칙을 위배(광속보다 빠른 상호 작용이 존재해야 함을 의미)하므로 두 이론 중의 하나는 잘못된 것이라는 것으로 이해를 하고 있습니다. 0.1 혹시 제가 잘못 이해하고 있는지 모르겠지만, EPR 논문에 숨겨진 가정 중의 하나는 얽혀있는 한 쌍의 입자가 충분한 거리로 멀어지도록 하는 과정에서 입자의 상태(예를들면 스핀)을 교란시킬 수 있는 어떠한 상호 작용도 존재해서는 안되는 것으로 알고 있습니다. 그래서 "우주에 단 하나의 얽힌 입자의 쌍이 있다고 가정할 때..."와 같은 단어가 사용되는 것으로 이해를 하고 있었습니다. 질문 1. 제네바 연구진은 한 쌍의 얽힌 광자를 분리한 다음 각기 다른 광섬유를 통하여 진행하도록 하였다고 했는데, 두 광자의 상태를 교란시키는 어떠한 상호 작용도 없이 한 쌍의 광자를 둘로 분리하였다고 볼 수 있는지요 ? 만일 어떠한 상호 작용도 없었다면 각각의 광섬유로 각각 하나씩의 광자가 들어갔는지 아닌지는 어떻게 알 수 있는지요 ? 질문 2. 광섬유는 진공이 아니라 매질로 이루어 진 것인데 광섬유를 따라 광자가 진행할 때 매질과의 상호 작용이 전혀 일어나지 않는지요 ? 만일 매질과의 상호 작용이 일어나지 않는다면 어떻게 광섬유를 통하여 빛이 굴절(전반사)될 수 있는지요 ? 양자 역학적으로 보면 한 번의 전반사가 일어 나려면 최소한 한 번의 상호 작용이 일어나야 하고 상호 작용이 일어난 후에 방출되는 광자는 원래의 광자라고 볼 수 없지 않은지요 ? 질문 3. 벨레뷰에 도착한 광선을 간섭계를 사용하여 둘로 쪼갰다(둘로 쪼갠 것이 아니라 두 방향 중의 한쪽으로만 진행되도록 했다는 뜻은 아닌지요?)로 하는데, 만일 간섭계가 광자와 상호 작용을 하지 않는다면 광선을 진행 방향을 둘로 나누는 것도 불가능하지 않은가요? 제가 지식이 모자라 EPR 논문을 검증하기 위한 제네바 그룹의 방법론에 대하여는 이해를 하지 못했습니다. 제가 궁금한 것은 거시 세계의 여러 장치를 사용하여 인위적인 조작을 할 때 필연적으로 일어날 수 있는 상호 작용이 입자의 상태에 영향을 미치는지 아닌지에 대한 것입니다. |