아인슈타인도 이해 못한, 양자중첩

양자역학을 설명하기에 앞서 양자역학에서 가장 관심을 가지게 되는 양자중첩 현상에 대해서 생각해 보고자 한다.

 

양자역학에서 모든 입자는 확률로 존재한다는 것이다. 이는 모든 입자가 정해진 한 곳에 있는 것이 아니라 확율분포에 따라 퍼저서 위치해 있다는 것이다. 즉 모든 확률들에 따라 입자의 상태가 중첩되어 있다.

 

이렇게 확율 분포에 의해 존재하는 입자는 관측(다른 입자와의 직접적인 혹은 간접적인 상호작용이 있을 때)에 의해서만 위치가 정해진다. (이는 불교에서 말하는 "상은 관계에서 비롯된다. 연기법(緣起法)"는 말과 일맥 상통한다.)

< 이중 슬릿 실험 > 예전 과학자들은 전자는 입자라고 생각했다. 그래서 이중슬릿 실험을 하면 아래 그림처리 두 개의 줄이 나올 것으로 생각했으나 실재로는 위의 그림이 나타났다. 위의 그림은 명확인 파동에서의 이중슬릿의 모습과 같았다. 즉 전자는 마치 파동 같았다. 그럼 전자는 파동의 성격을 가지는가? 아니면 양면성을 가지는가? 양자역학에 의하면 사실은 위 그림은 입자의 확율 분포와 같았다. 그래서 과학자들이 전자가 지난 위치를 파악하기 위해 슬릿에 검출기는 다는 순간 그림은 입자의 그림인 아래 그림이 되어 버렸다. 즉 관측을 하면 확율분포가 아닌 고정 위치에 존재하게 되는 것이다.

이와 다른 실험으로 " 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험"이 있다. 원래는 양자중첩의 개념을 받아들이지 않기 위해 도입된 것이었다. 슈뢰딩거는 이 사고 실험을 통해 당시의 양자중첩에 대한 개념을 없애기 위해 도입하였으나, 아니러니하게도 시간이 지나면서 오히려 양자역학의 양자중첩을 설명하는 대표적인 사고 실험이 되어 버렸다.

 

이러한 양자 중첩 현상을 적극적으로 활용하는 분야는 양자컴퓨터이다.

 

미시세계에서는 이러한 확율 분포가 일반적인 상황이지만 현시 세계에는 많은 입자들 간의 충돌이 있기 때문에 확율 분포보다는 고정된 위치에 있는 입자들로 인식된다. (이를 결잃음이라고 한다.)

중요한 것은 현시적으로나 거시적으로 고정된 입자라고 하더라도 그 근본은 확율 분포라는 점이다. 아인슈타인의 말과는 반대로 신은 주사위를 던지고 있었던 것일까?