어느 십대 록 공연에서, 자신의 커리어에 한 획을 그을 것으로 기대했던 젊은 기타리스트가 지역의 전설이 되길 바라며 앰프 볼륨을 10까지 올렸습니다. 하지만 돌아온 것은 퓨즈가 타버리는 소리뿐이었습니다. 그 뒤에 찾아온 정적은 깊은 울림이 있는 것이 아니라, 조명 아래에서 기술적 결함이 발생했을 때 느끼는 당혹스러운 종류의 것이었습니다. 수년 동안, 옥스퍼드대의 물리학자 블라트코 베드랄(Vlatko Vedral)이 된 그 뮤지션은 자신이 그저 “불운한” 버전의 우주로 내던져진 것은 아닌지 궁금해했습니다. 고전 물리학의 세계에서 퓨즈는 끊어지거나 끊어지지 않거나 둘 중 하나입니다. 하지만 베드랄은 현재 양자 세계의 이야기는 이보다 훨씬 더 복잡하다고 주장합니다.
양자 역학의 표준 서사는 종종 이상하지만 확립된 역설들의 연속으로 가르쳐지며, 대개 인간 관찰자를 무대의 중심에 둡니다. 우리는 입자가 사람이 그것을 관찰하기 전까지는 여러 가능성이 겹쳐 있는 혼란스러운 상태, 즉 '중첩' 상태로 존재하며, 사람이 관찰하는 순간 파동 함수가 단 하나의 지루한 현실로 “붕괴”한다고 배웁니다. 옥스퍼드대에서 양자 정보 과학을 가르치는 베드랄 교수는 이러한 인간 중심적 관점이 단순히 혼란스러울 뿐만 아니라 틀렸을 가능성이 높다고 보는 점점 늘어나는 학자 그룹 중 한 명입니다. 그의 주장은 관점을 완전히 뒤집습니다. 현실을 붕괴시키는 것은 인간이 아니라, 인간을 얽히게 하여 여러 버전으로 갈라놓는 것이 현실이라는 것입니다. 그리고 이 버전들은 아주 특수한 조건 하에서는 다중 우주의 공허를 넘어 서로에게 속삭일지도 모릅니다.
특권적 관찰자라는 신화
“관찰자 효과”는 인간의 의식이 세상을 창조한다고 주장하는 형이상학적 사변가들과 뉴에이지 작가들의 오랜 사랑을 받아왔습니다. 정보 이론의 엄밀한 수학적 토대 위에 서 있는 물리학자에게 이는 끊임없는 좌절의 원인입니다. 관찰이 붕괴를 야기한다는 표준적인 코펜하겐 해석의 문제는 “관찰자”가 실제로 무엇인지 정의하지 못한다는 점입니다. 박사 학위가 필요할까요? 뇌가 있어야 할까요? 단세포 아메바는 어떨까요? 아니면 실리콘 센서는요?
이는 단순히 철학적인 선호의 문제를 넘어섭니다. 이는 관찰자를 사건의 “통제자”로 보는 것에서, 더 큰 결정론적 시스템 내의 구성 요소로 보는 것으로의 전환을 의미합니다. 양자 센서와 시계 개발에 수십억 유로를 쏟아붓고 있는 유럽의 연구 환경에서 이러한 구분은 중요합니다. 만약 관찰자를 마법 같은 외부 존재로 가정한다면, 우리는 공학적 현실을 놓치게 됩니다. 양자 컴퓨터의 모든 부분은 다른 모든 부분을 “관찰”하고 있으며, 이는 결어긋남(decoherence)이라고 알려진 양자 정보의 급격한 소멸로 이어집니다. 현대 물리학의 투쟁은 단순히 사물을 작게 만드는 것이 아니라, 그것들이 방 안의 다른 것들을 “보지” 못하게 막는 데 있습니다.
광자를 보는 데 필요한 밥(Bob)의 버전은 몇 개인가?
이를 물리적으로 설명하기 위해 베드랄은 밥(Bob)이라는 사람의 사례를 듭니다. 광자가 밥의 선글라스에 부딪힐 때, 광자는 중첩 상태로 존재합니다. 광자와 유리 분자 사이의 기계적 상호작용, 그리고 뒤이어 밥의 망막에 있는 뉴런들 사이의 상호작용은 일련의 얽힘을 만들어냅니다. 이를 물리학자들은 “폰 노이만 사슬(von Neumann chain)”이라고 부릅니다. 이제 광자의 상태는 밥의 눈 상태와 연결되고, 이는 다시 뇌의 상태와 연결됩니다.
베드랄은 이 사슬이 두개골에서 멈추지 않는다는 점을 중요하게 강조합니다. 사슬은 환경으로까지 확장됩니다. 우리가 매초 여러 버전으로 갈라지는 것처럼 느끼지 않는 이유는 이러한 상호작용의 엄청난 복잡성 때문입니다. 그 광자에 대한 정보가 공기 분자와 마룻바닥으로 유출되는 순간, “밥”의 여러 버전은 더 이상 서로 상호작용할 수 없을 정도로 뚜렷하게 갈라집니다. 즉 “결맞음(coherence)”을 잃게 되는 것입니다.
하지만 베드랄의 주장에서 수학적 핵심은 이러한 가지들이 완전히 단절된 것은 아니라는 점입니다. 런던의 록 콘서트장보다는 가르칭(Garching) 연구소의 희석 냉동기에 가까운 고도로 통제된 환경에서는, 이론적으로 이 가지들이 서로 간섭할 수 있습니다. 이것이 바로 입자의 두 경로가 서로를 상쇄하거나 강화할 수 있는 양자 간섭 현상입니다. 베드랄은 이것이 입자에 적용된다면, 원칙적으로 그들과 얽혀 있는 “당신”의 버전들에게도 적용되어야 한다고 제안합니다.
앨리스 실험과 기억의 삭제
이 이론의 가장 논란이 많은 부분은 이러한 상호작용을 되돌릴 가능성과 관련이 있습니다. 밥과 광자를 마치 하나의 양자 시스템인 것처럼 조작할 수 있는 두 번째 관찰자, 앨리스(Alice)를 상상해 보십시오. 앨리스가 밥과 빛 사이의 얽힘을 완벽하게 되돌릴 수 있다면, 그녀는 사실상 밥의 관찰을 “취소”할 수 있을 것입니다. 밥의 관점에서 그는 그 사건에 대한 아무런 기억도 갖지 못하겠지만, 근저에 깔린 양자 수학은 그 되돌림이 성공하려면 두 가지 가능한 현실이 모두 존재했어야 함을 시사합니다.
이는 최근 소규모 실험실 환경에서 테스트된 사고실험인 '위그너의 친구(Wigner’s Friend)'의 거시적 버전이라고 할 수 있습니다. 에든버러 대학 등에서 수행된 실험들은 두 명의 서로 다른 관찰자가 실제로 사건 발생 여부라는 “사실”에 대해 의견이 다를 수 있으며, 수학적으로는 둘 다 옳을 수 있음을 보여주었습니다. 이는 단순히 의사소통의 실패가 아니라 양자 풍경의 근본적인 특징입니다.
산업 정책 측면에서, 이곳이 바로 이론과 현실이 만나는 지점입니다. EuroQCI 이니셔티브와 같은 유럽의 양자 통신 투자는 양자 정보는 변경되지 않고서는 복사되거나 관찰될 수 없다는 원칙에 의존합니다. 만약 베드랄의 말이 맞아서 “관찰”이 고차원 관찰자에 의해 이론적으로 조작되거나 우회될 수 있는 특정한 형태의 얽힘에 불과하다면, 양자 네트워크의 절대적 보안에 대한 우리의 현재 가정은 언젠가 재검토가 필요할지도 모릅니다. 관찰자를 되돌릴 수 있다면, 보안도 되돌릴 수 있을까요?
불운한 우주의 현실
베드랄의 “다중-나(many-mes)” 모델에 대한 회의론은 대개 실험 물리학자들에게서 나옵니다. 막스 플랑크 연구소의 복도나 보쉬(Bosch)의 클린룸에서 연구자들의 초점은 대체 자아들의 간섭을 숙고하는 것이 아니라 노이즈를 줄이는 데 맞춰져 있습니다. 우주는 믿을 수 없을 정도로 “울퉁불퉁”하고 시끄럽습니다. 앰프가 터지지 않았던 “운 좋은 우주”의 당신이 현재의 물리적 상태에 영향을 미칠 확률은 가시 우주 내의 원자 수보다 수십 배나 더 많은 0이 붙을 정도로 희박합니다.
그럼에도 불구하고 베드랄은 이러한 가지들을 무시하는 것은 논리적 오류라고 주장합니다. 우리가 다른 가지들을 쉽게 측정할 수 없다고 해서 그것들이 현실의 기능적 기술(description)에 포함되지 않는다는 의미는 아니라는 것입니다. 그는 옥스퍼드대 동료인 데이비드 도이치(David Deutsch)와 마찬가지로 우주를 거대한 컴퓨터로 봅니다. 이러한 '구성자 이론(Constructor Theory)'에 인접한 관점에서 물리학은 무엇이 일어나는지가 아니라, 어떤 변환이 가능하며 왜 그런지에 대한 것입니다. 당신이 다른 선택을 한 당신의 버전이 존재한다면, 그 가능성은 우주의 초기 조건에 이미 내재되어 있는 것입니다.
이 지점에는 현실에 대한 광범위하고 포괄적인 해석으로 기우는 영국 이론 물리학 학파와, 라인-루르 양자 허브의 실용적이고 공학 중심적인 접근 방식 사이의 본질적인 긴장이 존재합니다. 옥스퍼드가 밥의 뇌가 양자 파동 함수인지 고민하는 동안, 독일의 엔지니어들은 양자 비트가 4켈빈 온도에서 몇 마이크로초 이상 안정적으로 유지되도록 만드는 데 바쁩니다. 두 접근법 모두 필요하지만, 그들은 서로 다른 언어를 구사합니다.
베드랄의 밴드 일화는 과학이 종종 개인적인 불의감, 즉 상황이 다르게 흘러갔어야 한다는 느낌에서 시작된다는 것을 상기시켜 줍니다. 그가 설명하는 양자 역학은 실제로 그런 “다르게”가 존재하도록 허용하는 유일한 과학 분야입니다. 이는 현실이 숲을 지나는 단 하나의 길이 아니라 숲 그 자체이며, 우리는 우리 자신의 발을 쳐다보느라 나무 사이를 걷고 있는 다른 버전의 우리들을 보지 못하는 것뿐임을 시사합니다.
궁극적으로, 또 다른 버전의 당신이 당신의 현실을 형성하고 있다는 생각은 검증되지 않았고, 어쩌면 검증 불가능한 가설로 남아 있습니다. 그것이 과학이라 불릴 수 있는 경계에 머물러 있는 이유는 바로 그 “다른 버전들”이 정의상 접근 불가능하기 때문입니다. 하지만 우리가 수백만 개의 얽힌 입자가 관여하는 대규모 양자 시스템 구축에 다가갈수록, “실험실 실험”과 “현실의 버전” 사이의 경계가 흐려지기 시작할지도 모릅니다. 현재로서는 퓨즈는 여전히 타버린 상태입니다. 옥스퍼드에는 이론이 있지만, 세상의 나머지는 실제로 작동하는 그 실험의 버전을 여전히 기다리고 있습니다.
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