소개
아니오
양자 이론의 주요 해석 중 하나는 매우 설득력이 있습니다. 예를 들어, 그들은 우리가 경험하는 세계가 그 세계가 구성되어 있는 아원자 영역과 근본적으로 분리되어 있다고 믿으라고 요구합니다. 또는 평행 우주가 엄청나게 확산되고 있거나 신비한 과정으로 인해 양자성이 자발적으로 붕괴된다는 주장도 있습니다. 이 불만족스러운 상태가 Beyond Weird의 핵심 요소였습니다. , 양자역학의 의미에 관한 2018년 책입니다. 양자 이론이 개발된 지 100년이 지난 지금, 양자 이론이 현실에 대해 말하는 바에 대해 전문가들이 그 어느 때보다 의견이 분분한 것은 당연합니다.
그런데 결맞음과 양자 다윈주의를 읽고 나서 , 물리학자 보이치에흐 주렉(Wojciech Zurek)이 2025년 3월에 출판한 책에서 나는 그 모든 공상적인 개념을 없애는 답변의 가능성에 흥분됩니다. 뉴멕시코주 로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 주렉(Zurek)은 어떻게 원자와 아원자 입자의 행동을 지배하는 양자 규칙이 고전 물리학(뉴턴의 운동 법칙 등)의 규칙으로 전환되어 일상 생활 규모에서 작동하는지에 대한 문제를 해결하기 위해 수십 년 동안 노력해 왔습니다.
결맞음이라고 불리는 이러한 전환이 어떻게 발생하는지에 대한 Zurek의 핵심 아이디어는 상당히 잘 확립되어 있습니다. 그러나 그의 책은 처음으로 그가 발전시켜온 모든 요소를 하나의 거대한 종합으로 모아 놓은 것입니다. 그는 양자 이론의 오래된 신비가 풀리기 시작했다고 주장합니다. 내 눈에는 Zurek이 거의 실질적으로 새롭거나 추측적인 가정을 사용하지 않고 100년 동안 물리학을 혼란스럽게 만들었던 느슨한 끝을 묶었습니다. 그렇게 함으로써 그는 이전에는 화해할 수 없었던 것들을 통합한다고 주장합니다. 그의 접근 방식이 우리를 얼마나 멀리까지 데려가는지, 그리고 남은 미스터리는 어디에 있는지 살펴보겠습니다.
양자역학에 대해 조금 안다면 크고 이상한 부분이 양자 부분이라고 생각하는 것을 용서받을 수 있습니다. 즉, 가장 미세한 규모의 세계는 거칠고 입자는 고정된 크기의 작은 에너지 패킷을 교환함으로써 갑작스러운 양자 도약으로만 에너지를 변경할 수 있다는 생각입니다. 하지만 그 자체로는 그다지 머리를 긁적이지는 않습니다. 또는 가장 이상한 것은 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)의 유명한 불확정성 원리라고 생각할 수도 있습니다. 이 원리는 입자의 위치와 운동량과 같은 속성 쌍이 특정 한계를 넘어서는 정확도로 동시에 알 수 없다는 것을 규정합니다. 입자가 어디에 있는지, 어디로 가는지 정확하게 측정할 수 없습니다. 그러나 이러한 불확실성은 더 깊은 문제의 징후일 뿐입니다.
궁극적으로 양자역학에 대한 논쟁은 현실이 무엇인가라는 훨씬 더 큰 이해관계를 갖고 있습니다. 기본적인 문제는 이론이 우리가 원자나 전자와 같은 양자 시스템을 측정할 때 무엇을 관찰할 수 있는지 알려준다는 것입니다. 그것은 다른 과학 이론과 크게 다르지 않게 들릴 수도 있지만, 그렇습니다. 양자 역학이 실제로 제공하는 것은 측정 결과의 확률입니다. 그것만으로는 측정하기 전에 세상이 어땠는지 추론할 수 없습니다. 세상이 어떤지 알려주는 것이 아니라 보면 무엇을 보게 될 것인지만 말해 줍니다. . 메릴랜드 대학교의 물리학자이자 철학자인 Jeffrey Bub는 양자 불확실성은 "단순히 사건에 대한 무지를 나타내는 것이 아니라, 아직 참값이 없는 것에 대한 새로운 종류의 무지, 즉 측정하기 전에는 단순히 한 쪽 또는 다른 쪽이 아닌 것에 대한 무지를 나타내는 것"이라고 말했습니다.
1926년 에르빈 슈뢰딩거가 제시한 양자역학의 공식화에서 양자계의 상태는 파동함수라는 수학적 실체로 표현된다. 파동 함수는 해당 양자 시스템 측정의 다양한 가능한 결과에 대한 확률을 예측할 수 있는 추상 구조입니다. 우리가 그 속성 중 하나(예를 들어 전자의 위치)를 측정하기 전에 가능한 모든 위치는 파동 함수에 "중첩"으로 표시됩니다. 즉, 각 위치는 어느 정도 확률로 잠재적으로 관찰 가능하다는 의미입니다. 주어진 관찰이나 측정에서는 이러한 결과 중 하나만 볼 수 있으며 연속적인 동일한 실험에서는 다른 결과가 나타날 수 있습니다. 측정 행위는 이 흐릿한 양자성을 사라지게 하고, 고전적 현실에 대한 우리의 경험과 일치하는 명확하고 더 많은 것으로 대체되는 것처럼 보입니다.
따라서 파동함수는 우리가 측정하기 전에는 양자 시스템이 어떤 것인지 말해 줄 수 없습니다. 대조적으로 거시적, 고전적, 뉴턴 물리학에서는 아무도 보지 않을 때에도 사물의 속성과 위치가 잘 정의되어 있습니다. 고전 세계와 양자 세계는 1920년대 후반 하이젠베르크가 "컷(cut)"이라고 불렀던 것으로 나누어진 것 같습니다. 그와 코펜하겐의 닐스 보어에게 현실은 고전 물리학으로 설명되어야 했던 반면, 양자 역학은 우리가 고전적 실체로서 미시 세계에 대해 관찰한 것을 설명해야 한다는 이론이었습니다. 그 이상도 그 이하도 아닙니다.
그런데 왜 크고 작은 사물에 대해 두 가지 유형의 물리학, 즉 고전 물리학과 양자 물리학이 있어야 할까요? 그리고 한 쪽이 다른 쪽을 어디서, 어떻게 인수합니까? 보어와 그의 동료들에게는 원자의 규모와 인간의 규모가 너무나 달라서 그 질문은 별로 중요하지 않은 것 같았습니다. 어쨌든 그들은 양자 방정식에 무엇을 포함하기로 결정했는지에 따라 절단 위치를 선택할 수 있다고 말했습니다. 그러나 오늘날 우리는 양자 규칙이나 고전 규칙을 적용해야 하는지 명확하지 않은 몇 나노미터 사이의 중간 규모를 포함하여 다양한 길이 규모로 세계를 조사할 수 있습니다. 그리고 실제로 실험이 충분히 제어되고 민감하다면 일반 광학 현미경으로 볼 수 있을 만큼 큰 물체에서 양자 거동을 찾을 수 있습니다. 따라서 양자에서 고전으로의 전환, 즉 축소하거나 측정할 때 발생하는 것처럼 보이는 '현실화'를 어떻게 설명할지에 대한 문제를 피할 수 없습니다.
양자역학 자체는 파동함수로 표현되는 모든 양자 확률이 하나의 관측값으로 '붕괴'되는 이 측정 과정을 설명하지 못하는 것 같습니다. 코펜하겐의 보어와 그의 동료들에게 붕괴는 비유적일 뿐이었습니다. 즉 우리가 경험하는 고전 세계를 반영한 것이었습니다. 다른 사람들은 붕괴를 많은 가능성 중에서 독특한 결과를 골라내는 실제적이고 자발적이며 무작위로 시간이 정해진 물리적 사건으로 설명하려고 노력했습니다. 그러나 그러한 물리적 붕괴를 일으키는 요인이 무엇인지는 확실하지 않습니다. 다른 사람들은 Louis de Broglie가 가정하고 나중에 David Bohm이 개발한 설명을 인용합니다. 입자는 잘 정의된 특성을 가지지만 간섭과 같은 양자 물체의 이상한 파동 동작을 생성하는 신비한 "파일럿" 파동에 의해 조종됩니다. 그리고 다른 사람들은 현재 일반적으로 "많은 세계"라고 불리는 휴 에버렛의 1957년 해석을 채택했습니다. 이 해석은 붕괴는 없지만 모든 측정 결과가 평행 우주에서 실현되므로 현실은 상호 접근할 수 없는 여러 버전으로 끊임없이 분기됩니다.
Quanta Magazine의 Michael Waraksa
이 모든 것은 항상 나에게 환상적이라고 생각했습니다. 기존의 양자역학으로 어디까지 갈 수 있는지 한번 확인해 보면 어떨까요? 이론의 형식적이고 수학적 틀만을 사용하여 양자 역학에서 독특한 고전 세계가 어떻게 발생하는지 설명할 수 있다면 보어의 "코펜하겐 해석"의 불만족스럽고 인위적인 부분과 다른 해석의 난해한 도구를 모두 생략할 수 있습니다.
이것이 Zurek의 작업이 시작되는 곳입니다. 1970년대부터 그와 물리학자 H. Dieter Zeh는 양자 이론 자체가 측정에 대해 우리에게 말하는 내용을 면밀히 조사했습니다. (만약 연구자들이 이론의 기본적이지만 해결되지 않은 문제에 대해 질문하는 것을 수십 년 동안 단념하지 않았다면, 그것은 모두 무의미한 철학이라는 이유로 훨씬 더 일찍 일어났을 것입니다.)
Zurek의 접근 방식의 핵심 요소는 양자 얽힘이라는 현상으로, 양자 규모에서 발생하는 또 다른 비직관적인 현상입니다. 슈뢰딩거는 1935년에 이 현상에 이름을 붙이고 이것이 실제로 양자역학의 핵심 특징이라고 주장했습니다. 그는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)과 동료들이 두 개의 양자 입자가 물리적 힘을 통해 접촉한 후 이상하게 상호 연결된 것처럼 보인다고 지적한 후 그 이름을 생각해 냈습니다. 그 중 하나를 측정하면 더 이상 서로 가깝지 않더라도 다른 속성에 즉각적으로 영향을 미치는 것처럼 보입니다. 여기서는 "~처럼 보인다"가 필수 용어입니다. 실제로 양자 역학에서는 상호 작용과 그에 따른 얽힘으로 인해 입자가 더 이상 독립된 개체가 되지 않게 된다고 말합니다. 이는 두 입자의 가능한 상태를 정의하는 단일 파동 함수로 설명됩니다. 예를 들어, 결합 파동 함수는 둘 중 하나가 자기적으로 어떤 방향으로 향하든 다른 하나는 반대 방향으로 향해야 한다고 말할 수 있습니다.
입자가 상호 작용할 때 얽힘은 불가피합니다. 이는 측정 과정에 의미가 있습니다. 관찰 중인 양자 물체가 측정 장비의 원자와 얽히게 됩니다. 여기서 "측정"은 멋진 과학 도구를 사용하여 물체를 조사하는 것을 의미할 필요는 없습니다. 이는 환경과 상호 작용하는 모든 양자 개체에 적용됩니다. 사과의 분자는 양자역학으로 설명되며, 표면 분자에서 반사되는 빛의 광자가 사과와 얽히게 됩니다. 이러한 광자는 분자에 대한 정보를 눈으로 전달합니다. 예를 들어 사과 피부를 구성하는 분자의 양자 에너지 상태에서 비롯되는 사과 피부의 발적에 대한 정보를 전달합니다.
즉, Zurek과 Zeh는 얽힘이 어디에나 존재하며 양자와 고전 사이의 정보 통로라는 것을 깨달았습니다. 양자 물체는 주변 환경과 상호 작용하면서 얽히게 됩니다. Zeh와 Zurek은 일반적인 양자 수학만을 사용하여 이 얽힘이 얽힌 환경과 공유 속성이 되기 때문에 물체의 양자성을 "희석"시켜 물체 자체에서 양자 효과를 빠르게 관찰할 수 없게 된다는 것을 보여주었습니다. 그들은 이 과정을 결맞음이라고 부릅니다. 예를 들어, 양자 물체의 중첩은 모든 환경 얽힘 사이에 퍼져 있으므로 중첩을 추론하려면 (빠르게 증가하는) 얽힌 개체를 모두 조사해야 합니다. 바다에 흩어진 잉크 덩어리를 다시 만들 수 없는 것처럼 그렇게 할 희망도 없습니다.
Wojciech Zurek(위)는 공동 작업자인 Jess Riedel(왼쪽 아래) 및 고 H. Dieter Zeh(오른쪽 아래)와 함께 수십 년 동안 양자 고전적 격차를 해소하기 위해 노력해 왔습니다.
Wojciech Zurek 제공; 로드 서시; Wikimedia Commons를 통한 Rolf Kickuth
결맞음은 엄청나게 빠르게 발생합니다. 공기 중에 떠다니는 먼지 알갱이의 경우, 광자와 주변 가스 분자와의 충돌은 약 10-31초 안에 결맞음(decoherence)을 생성합니다. 이는 빛이 단일 양성자를 통과하는 데 걸리는 시간의 약 백만분의 1입니다. 실제로, 결맞음은 환경에 직면하면 섬세한 양자 현상을 거의 즉각적으로 파괴합니다.
그러나 측정은 결맞음에만 관한 것이 아닙니다. 예를 들어 측정 장치에서 해당 환경의 개체에 대한 정보를 각인하는 것은 환경과의 얽힘입니다. 지난 20여년 동안 Zurek은 이것이 어떻게 일어나는지 연구해 왔습니다. 일부 양자 상태에는 결맞음으로 인해 흐릿해 보이지 않게 되는 일 없이 환경에 여러 각인을 생성할 수 있는 수학적 특징이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 이러한 상태는 관찰 가능하고 분리된 고전 세계에서 "생존"하는 속성에 해당합니다.
이는 각 각인을 생성하는 상호 작용이 양자 시스템을 다른 상태로 만들거나 다른 상태와 혼합하는 대신 상호 작용 이전의 상태로 유지하기 때문에 가능합니다. 예를 들어, 광자는 시스템의 양자 상태를 변경하지 않고도 원자에서 반사되어 원자에 대한 위치 정보를 전달할 수 있습니다.
Zurek은 이러한 견고한 상태를 "포인터 상태"라고 부릅니다. 왜냐하면 측정 장치의 바늘이 특정 결과를 가리킬 수 있는 상태이기 때문입니다. 포인터 상태는 위치나 전하와 같이 고전적으로 관찰할 수 있는 속성에 해당합니다. 한편, 양자 중첩에는 이러한 특성이 없습니다. 사본을 강력하게 생성할 수 없으므로 직접 관찰할 수 없습니다. 즉, 포인터 상태가 아닙니다.
Zurek은 포인터 상태가 환경에서 계속해서 효율적이고 강력하게 각인될 수 있음을 보여줍니다. 그러한 상태가 "가장 적합한 상태"라고 그는 나에게 말했습니다. "그들은 복제 과정에서 살아남을 수 있고, 따라서 그들에 대한 정보도 늘어날 수 있습니다." 그들은 다윈의 진화와 유사하게 고전 세계로의 번역을 위해 "선택"되었습니다. 왜냐하면 그들은 이러한 방식으로 증폭(복제, 말할 수 있음)되는 데 능숙하기 때문입니다. 이것이 주렉의 책 제목인 '양자 다윈주의'이다.
이러한 각인은 매우 빠르게 증가합니다. 2010년에 Zurek과 그의 공동 연구자인 Jess Riedel은 마이크로초 내에 태양의 광자가 먼지 알갱이의 위치를 약 천만 번 각인할 것이라고 계산했습니다.
양자 시스템과 그 환경의 상호 작용에 적용되는 양자 역학의 표준 방정식만을 사용하는 Zurek의 양자 다윈주의 이론은 현재 실험적으로 테스트되고 있는 예측을 내립니다. 예를 들어, 양자 시스템에 관한 대부분의 정보는 환경에 있는 아주 적은 흔적으로부터 수집될 수 있다고 예측합니다. 정보 내용이 빠르게 "포화"됩니다. 예비 실험을 통해 이를 확인했지만 아직 해야 할 일이 더 많습니다.
우리가 본 것처럼 각 각인은 고전적인 관찰, 즉 현실의 요소로 간주할 수 있는 것과 일치합니다. 이에서 전자는 자기적으로 위쪽을 향하고 있습니다. 인쇄물. 그러나 원래의 양자 상태에는 서로 다른 결과의 확률이 포함되어 있기 때문에 하나의 각인은 "위"에 해당하고 다른 각인은 "아래"에 해당할 수 있으므로 서로 다른 관찰자가 서로 다른 현실을 볼 수 있다는 것이 가능하지 않습니까? 정확히 중첩은 아니지만 여러 버전의 고전적 현실 형태의 명확한 결과입니다.
이것은 우리에게 결맞음 이론의 또 다른 계시로 이어지며, 이는 Zurek의 이론이 이제 완전한 이야기를 말해준다고 나를 설득합니다. 모든 각인이 동일해야 한다고 예측합니다. 따라서 양자 다윈주의는 독특한 고전 세계가 양자 확률에서 나올 수 있고 또 나타나야 한다고 주장합니다. 이러한 합의의 부과는 좀 더 엄격한 것을 선호하여 다소 신비롭고 임시적인 붕괴 과정을 방지합니다. 거시적 환경에서 동일하고 관찰 가능한 각인의 구름으로 둘러싸인 관찰되는 대상은 Zurek이 말한 것처럼 "상대적으로 객관적인 존재"의 요소를 형성합니다. 그것은 그가 엑스탄톤(extanton)이라고 부르는 우리의 구체적이고 고전적인 현실의 일부가 됩니다.
이것이 바로 이론이 해석에 대한 논쟁을 해소할 것을 약속하는 곳입니다. Zurek은 불가능해 보였던 일, 즉 코펜하겐과 다양한 세계의 해석을 조화시킨 일을 달성했다고 말합니다. 전자에서 파동함수는 인식론적으로 간주됩니다. :양자 세계에 대해 우리가 알 수 있는 내용을 설명합니다. 후자의 경우 파동함수는 ontic입니다. :비록 우리가 이 양자 다중우주의 한 가지만 경험할 수 있더라도 그것은 궁극적인 현실, 즉 현실의 모든 부분을 동시에 설명하는 것입니다. Zurek은 파동함수가 실제로 둘 다라고 말합니다. “양자 상태(인식론적 및 존재론적)에 대한 두 가지 상충되는 관점과 상태가 둘 중 하나여야 한다는 주장은 잘못된 것입니다.” 내가 그의 책에서 전하는 이야기에 대해 질문했을 때 그는 나에게 말했습니다. 대신에 국가는 “신화적”이다. 즉, 결어긋남이 발생하기 전에 어떤 의미에서는 모든 양자 가능성이 존재합니다. 그러나 결맞음과 양자 다윈주의는 다른 모든 것을 다른 세계의 고전적 현실에 할당할 필요 없이 그 중 하나만을 관찰 가능한 현실의 요소로 선택합니다. 다른 상태는 가능성의 추상적인 공간에 존재하지만 거기에 머무르며 관찰 가능한 현실에 얽혀 성장할 기회를 얻지 못합니다.
나는 Zurek의 사진이 마침내 양자역학을 정리했다고 주장하고 싶지 않습니다. 예를 들어, 왜 이를 할까요? 특정 측정에서 결과가 선택되고 해당 측정이 선택되지 않습니까? 우리는 (보어와 하이젠베르크가 주장했듯이) 그것이 아무 원인 없이 무작위로 일어난다는 사실을 그냥 받아들여야 할까요? 그리고 어떤 시점에서 양자 세계는 특정 측정 결과에 돌이킬 수 없게 전념하여 물체와 환경 사이의 얽힌 상호 작용 웹에서 중첩을 더 이상 "수집"할 수 없게 됩니까? 그리고 가장 중요한 것은 어떻게 이론을 더 엄격하게 테스트할 수 있는가입니다.
Zurek의 사진에 대해 제가 이야기를 나눈 일부 전문가들은 조심스러운 열정을 표현했습니다. 예를 들어, 호주 퀸즈랜드 대학의 Sally Shrapnel은 Zurek의 프로그램이 "양자 이론의 기본 가정에서 고전성의 출현을 설명하는 우아한 접근 방식을 대표하지만" 여전히 "기본 '양자 기질'이 실제로 무엇인지에 대한 까다로운 질문"을 다루지 않는다고 말했습니다. 예를 들어, 결맞음 이전에 모든 가능성이 여전히 존재하는 영역에 대해 우리는 어떻게 생각해야 합니까? 얼마나 '진짜'인가요?
스위스 취리히 연방공과대학의 레나토 레너(Renato Renner)는 코펜하겐 해석과 다세계 해석 사이의 갈등을 해결하는 것이 모든 문제를 해결한다고 설득되지 않습니다. 그는 서로 다른 관찰자가 결과에 동의할 수 없는 이상하지만 실험적으로 실행 가능한 시나리오를 구성하는 것이 가능하다고 지적합니다. 비록 그러한 예외가 인위적인 것처럼 보일지라도 그는 우리가 실제로 작동하는 양자 해석을 아직 찾지 못했다는 것을 보여준다고 생각합니다.
그래도 Zurek의 접근 방식에 대한 철학은 제가 보기에는 맞는 것 같습니다. 양자역학의 측정 문제를 해결하기 위해 정교한 이야기를 만들어내려고 하는 대신, 양자 물체에 관한 정보가 관찰 가능한 세계로 어떻게 전달되는지에 대해 표준 양자역학이 말할 수 있는 것을 인내심 있고 신중하게 연구해 보는 것은 어떨까요? 여기서 양자 개척자들은 100년 전에 시작한 혁명에서 많은 작업을 미완성 상태로 남겨두고 문제를 조기에 배제했습니다(보통 코펜하겐 해석을 주장하거나 의심 없이 받아들임으로써). 이제 우리는 적어도 그 일을 완수할 수 있기를 바랄 수 있습니다.
