양자역학의 신비가 풀리기 시작하는가?

양자이론의 주요 해석들 중 어느 것도 매우 설득력 있지 않다. 예를 들어 우리가 경험하는 세상이 그것이 이루어진 원자(subatomic) 영역과 근본적으로 분리되어 있다고 믿으라고 요구한다. 혹은 광범위한 평행우주(parallel universes)의 확산이 있거나, 양자성(quantumness)이 자발적으로 붕괴(collapse)하는 신비로운 과정이 일어난다거나 하는 것이다. 이런 미묘한 상태는 내가 2018년에 출간한 Beyond Weird에서 양자역학의 의미를 다루며 중요한 요소로 삼았다. 이론이 개발된 지 100년이 지난 지금 전문가들이 실재(reality)에 대해 양자이론이 무엇을 말하는지 여전히 양분되어 있다는 것은 놀랄 일이 아니다.

하지만 2025년 3월에 출간된 물리학자 보이치흐 주레크(Wojciech Zurek)의 Decoherence and Quantum Darwinism을 읽고 나서, 나는 모든 공상적인 개념을 없애버리는 답의 가능성에 흥분한다. 뉴멕시코 로스알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 주레크는 수십 년 동안 원자와 원자 아래 입자의 행동을 지배하는 양자 규칙이 어떻게 일상생활의 규모에서 작동하는 고전물리학(classical physics)의 법칙(뉴턴의 운동 법칙 등)으로 전환되는지 해결하는 문제에 매달려 왔다.

주레크가 이 전환 과정에 대해 제시한 핵심 아이디어인 결어긋남(decoherence)은 상당히 확립되어 있다. 하지만 그의 책은 그가 개발해 온 모든 요소들을 종합하여 처음으로 하나로 묶어낸다. 그는 양자이론의 오래된 신비들이 풀리기 시작하고 있다고 주장한다. 내가 보기에 주레크는 100년 동안 물리학을 당혹스럽게 했던 허점들을 거의 매꾸었고, 실질적으로 새로운 가정이나 추측을 들여오지 않으면서 보여주었다. 그렇게 함으로써 그는 이전에는 화해할 수 없었던 것들을 통합한다고 주장한다. 주레크의 접근법이 우리를 얼마나 멀리 데려다줄지, 그리고 어디에 남은 신비가 있는지 살펴보자.

양자역학에 대해 무언가를 안다면, 가장 크고 이상한 핵심이 양자(quantum) 부분이라고 생각할 수 있을 것이다: 가장 작은 규모의 세상이 입자성(grainy)을 띠며, 입자(particle)가 에너지를 바꿀 때는 고정된 크기의 작은 에너지 꾸러미를 교환함으로써 갑작스러운 양자 점프(quantum jumps)만 가능하다는 아이디어 말이다. 하지만 그 자체로 그리 머리가 아픈 일은 아니다. 아니면 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)의 유명한 불확정성 원리(uncertainty principle)가 가장 이상한 것이라고 생각할 수도 있다. 이 원리는 입자의 위치(position)와 운동량(momentum)처럼 한 쌍의 속성에 대해, 우리가 특정 한계 이상의 정확도로 동시에 알 수 없음을 규정한다. 입자가 정확히 어디 있는지 측정하면, 그것이 어디로 가고 있는지 알 수 없게 된다. 하지만 이 불확정성은 더 깊은 문제의 증상(symptom)일 뿐이다.

궁극적으로 양자역학을 둘러싼 논쟁은 훨씬 더 큰 판을 걸고 있다: 실재(reality)가 무엇인가 하는 것이다. 기본적인 문제는 이 이론이 원자나 전자와 같은 양자계(quantum system)를 측정했을 때 무엇을 관찰할 것으로 기대할 수 있는지 알려준다는 사실이다. 다른 과학 이론과 그리 다르지 않게 들릴 수도 있지만, 실제로는 그렇지 않다. 양자역학이 실제로 제공하는 것은 측정 결과의 확률(probabilities)이기 때문이다. 그것만으로는 측정하기 전 세상이 어땠는지 추론하는 것을 허용하지 않는다. 세상이 어떤 상태인지 말해주지 않고, 우리가 보면 무엇을 볼 것인지만 알려준다. 메릴랜드 대학교의 물리학자이자 철학자인 제프리 버브(Jeffrey Bub)가 나에게 말한 것처럼, "양자 불확정성은 단순히 무엇이 실재하는지에 대한 무지를 나타내는 것이 아니라, 측정하기 전에 단순히 이런 저런 방식이 아닌 무언가에 대한, 즉 진리값(truth value)을 아직 갖지 못한 무언가에 대한 새로운 종류의 무지를 나타낸다."

1926년 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 제시한 양자역학 공식화에서 양자계의 상태(state)는 파동함수(wave function)라는 수학적 개체로 표현된다. 파동함수는 그 양자계의 측정 가능한 다양한 결과의 확률을 예측할 수 있게 해주는 추상적인 구조물이다. 속성 중 하나(예를 들어 전자의 위치)를 측정하기 전, 모든 가능한 위치는 파동함수 내에서 "중첩(superposition)"으로 표현된다. 즉 각 위치는 어느 정도의 확률로 관찰될 수 있는 잠재적 가능성이다. 어떤 주어진 관찰이나 측정은 그 결과들 중 하나만을 보게 될 것이며, 연속적인 동일한 실험은 다른 결과를 보여줄 수도 있다. 측정 행위는 이런 흐릿한 양자성(quantumness)을 없애버리고, 고전적 실재(classical reality)에 대한 우리의 경험에 더 가까운 명확한 것(definite)으로 대체하는 것처럼 보인다.

따라서 파동함수는 측정하기 전 양자계가 어떤 상태인지 알려줄 수 없다. 대비하여, 거시적 규모(macroscale)의 고전적 뉴턴 물리학에서는 아무도 보고 있지 않아도 사물이 명확히 정의된 속성과 위치를 갖는다. 고전적인 세상과 양자 세상은 하이젠베르크가 1920년대 후반에 "컷(cut)"이라고 부른 것으로 구분되어 보인다. 그와 닐스 보어(Niels Bohr)에게는 코펜하겐(Copenhagen)에서 실재는 고전물리학으로 묘사되어야 했고, 양자역학은 미시세계에 대해 우리가 관찰한 것을 묘사하기 위해 고전적 실체(classical entities)로서의 우리 자신이 필요로 한 이론에 불과했다. 그 이상도 그 이하도 아니었다.

하지만 왜 크고 작은 것들에 대해 고전물리학과 양자물리학이라는 두 가지 다른 유형의 물리학이 있어야 하는가? 그리고 하나가 다른 하나를 대신하는 것은 어디서, 어떻게 일어나는가? 보어와 그의 동료들에게 원자의 규모와 인간의 규모는 너무나 근본적으로 달라서 그 질문이 그다지 중요하지 않게 보였을 것이다. 어쨌든 그들은 우리가 양자 방정식에 무엇을 포함시킬지 결정하는 것에 따라 컷을 어디에 놓을지 선택의 여지가 있다고 말했다. 하지만 오늘날 우리는 예를 들어 수 나노미터 정도의 중간 규모인 메소스케일(mesoscale)을 포함하여 여러 길이 규모에서 세계를 탐구할 수 있다. 여기서는 양자 규칙과 고전 규칙 중 어느 것이 적용되어야 하는지 분명하지 않다. 그리고 실제로 통제되고 충분히 민감한 실험을 한다면, 일반적인 광학 현미경으로 볼 수 있을 정도로 큰 물체에서도 양자 행동(quantum behavior)을 여전히 발견할 수 있다. 따라서 양자에서 고전으로의 전환, 즉 우리가 확대하거나 측정할 때 일어나는 "실재가 되는(becoming real)" 과정을 어떻게 설명할 것인가 하는 문제는 피할 수 없었다.

양자역학 자체는 이 측정 과정을 설명하는 것처럼 보이지 않았다. 이 과정에서는 파동함수가 표현한 모든 양자적 확률들이 단일한 관찰값으로 "붕괴(collapse)"한다. 보어와 그의 코펜하겐 동료들에게 붕괴는 비유적인 것이었다: 우리가 경험하는 고전적 세상을 반영할 뿐이었다. 다른 사람들은 붕괴를 실제의, 자발적이고 무작위 시간 물리적 사건(spontaneous, randomly timed physical event)으로 설명하려 했다. 이 사건은 여러 가능성들 중에서 유일한 결과를 선택한다. 비록 그러한 물리적 붕괴를 일으킬 요인이 무엇인지는 분명하지 않았지만. 다른 사람들은 루이 드 브로글리(Louis de Broglie)가 제시하고 나중에 데이비드 봄(David Bohm)이 발전시킨 묘사를 사용한다. 여기서 입자는 명확히 정의된 속성을 가지지만, 양자 객체의 이상한 파동 같은 행동(예: 간섭)을 만들어내는 신비한 "조종파(pilot wave)"에 의해 조종된다. 또 다른 사람들은 휴 에버리트(Hugh Everett)의 1957년 해석을 채택했다. 이는 일반적으로 "다중우주(many worlds)"라고 불리며, 붕괴는 없고 모든 측정 결과가 병렬 우주에서 실현된다고 가정한다. 따라서 실재(reality)는 끊임없이 서로 접근할 수 없는 자신의 여러 버전으로 갈라진다.

이 모든 것은 나에게 언제나 공상적(fanciful)로 보였다. 왜 일반적인 양자역학만으로 얼마나 멀리 갈 수 있는지 보지 않는가? 고전적 세상이 양자역학에서 어떻게 유일하게 생겨나는지 이론의 공식적이고 수학적인 틀만으로 설명할 수 있다면, 우리는 보어의 "코펜하겐 해석(Copenhagen interpretation)"의 만족스럽지 않고 인위적인 컷과 다른 것들의 신비한 부속물을 모두 버릴 수 있다.

여기서 주레크의 연구가 등장한다. 1970년대부터 그와 물리학자 H. 디터 제흐(H. Dieter Zeh)는 양자이론 자체가 측정에 대해 무엇을 말하는지 면밀히 살펴보았다. (연구자들이 수십 년 동안 이론의 이런 기초적이지만 해결되지 않은 문제들에 대해 질문하는 것을 무의미한 철학일 뿐이라는 이유로 억누르려 했다면, 이 일이 훨씬 일찍 일어날 수도 있었다.)

주레크의 접근법의 중심 요소는 양자얽힘(quantum entanglement)이라는 현상이다. 이 또한 양자 규모에서 일어나는 직관에 반하는 현상 중 하나다. 슈뢰딩거는 이 현상을 1935년에 명명했고, 이것이 사실 양자역학의 핵심 특징이라고 주장했다. 그는 알버트 아인슈타인과 동료들이 지적한 후에 이 이름을 붙였다. 두 양자 입자가 물리적 힘을 통해 접촉한 후, 이상하게도 서로 연결된 것처럼 보인다. 하나를 측정하면, 더 이상 가까이 있지 않더라도 다른 하나의 속성에 즉시 영향을 주는 것처럼 보인다. 여기서 "그렇게 보인다(looks like)"는 것이 필수적인 용어이다: 실제로 양자역학은 상호작용과 그 결과 생기는 얽힘이 입자들을 더 이상 분리된 실체로 만들지 않는다고 말한다. 이들은 단일 파동함수로 묘사되며, 이 파동함수는 두 입자 모두의 가능한 상태를 정의한다. 예를 들어 결합 파동함수는 하나가 자기적으로 어떤 방향으로 향해 있으면, 다른 하나는 반대 방향으로 향해야 한다고 말할 수 있다.

입자들이 상호작용할 때 얽힘은 불가피하다. 이는 측정 과정에 무언가를 의미한다: 관찰 대상인 양자 객체는 측정 기기의 원자들과 얽히게 된다. 여기서 "측정"은 과학 장비로 물체를 조사한다는 의미를 내포할 필요는 없다. 양자 객체가 환경과 상호작용하는 모든 경우에 적용된다. 사과 속 분자들은 양자역학으로 묘사되고, 표면 분자에서 튕겨 나오는 빛의 광자들은 그들과 얽힌다. 이 광자들은 분자들에 대한 정보(예를 들어 사과 껍질의 붉은색, 즉 그것을 구성하는 분자들의 양자 에너지 상태에서 비롯됨)를 당신의 눈으로 전달한다.

다시 말해, 주레크와 제흐는 깨달았다. 얽힘은 어디에나 존재하고, 양자와 고전 사이의 정보 통로(information conduit)이다. 양자 객체가 환경과 상호작용하면서 그것과 얽힌다. 일반적인 양자 수학만 사용하여 제흐와 주레크는 이 얽힘이 객체의 양자성을 "희석(dilutes)"한다고 보여주었다. 왜냐하면 그것은 얽힌 환경과 공유되는 속성이 되어, 양자 효과는 객체 자체에서 금방 관찰할 수 없게 되기 때문이다. 이들은 이 과정을 결어긋남(decoherence)이라고 부른다. 예를 들어 양자 객체의 중첩은 모든 환경적 얽힘들 사이에 퍼지게 되어, 중첩을 추론하려면 (급속히 증가하는) 모든 얽힌 실체들을 조사해야 한다. 그것은 잉크 덩어리가 바다에 퍼진 후 재구성하는 것만큼이나 희망이 없다.

결어긋남은 믿을 수 없을 정도로 빠르게 일어난다. 공중에 떠 있는 먼지 입자의 경우, 광자들과 주변 가스 분자들과의 충돌은 약 10^-31초 안에 결어긋남을 일으킨다. 이는 빛이 단일 양성자를 통과하는 데 걸리는 시간의 백만 분의 1에 불과하다. 사실상 결어긋남은 환경에 만나자마자 섬세한 양자 현상을 거의 즉시 파괴한다.

하지만 측정은 결어긋남만을 의미하는 것이 아니다. 환경과의 얽힘이 객체에 대한 정보를 환경에 각인(imprints)하는 것이다. 예를 들어 측정 장비에 말이다. 지난 20년 간 주레크는 그것이 어떻게 일어나는지 파악해왔다. 어떤 양자 상태는 수학적 특징을 가지고 있는데, 이것이 결어긋남에 의해 흐릿하게 사라지지 않고 환경에 여러 복사본을 만들도록 한다. 따라서 이 상태들은 관찰 가능한 결어긋남된 고전적 세상으로 "생존(survive)"하는 속성에 해당한다.

이것은 각 상호작용이 생성할 때마다 양자계를 상호작용 전 상태에 남겨두고, 다른 상태로 쓰러뜨리거나 다른 것들과 섞지 않기 때문에 가능하다. 예를 들어 광자들은 원자에서 튕겨 나와 시스템의 양자 상태를 바꾸지 않고 그것에 대한 위치 정보를 가져갈 수 있다.

주레크는 이러한 견고한 상태들을 "포인터 상태(pointer states)"라고 부른다. 왜냐하면 이들은 측정 장치의 바늘이 특정 결과를 가리키게 할 수 있는 상태이기 때문이다. 포인터 상태는 위치나 전하처럼 고전적으로 관찰 가능한 속성에 해당한다. 한편 양자 중첩은 이런 속성이 없다. 이들은 견고하게 복사본을 만들 수 없어서 직접 관찰할 수 없다. 다시 말해, 이들은 포인터 상태가 아니다.

주레크는 포인터 상태가 환경에서 효율적이고 견고하게 반복해서 각인될 수 있음을 보여준다. 그는 나에게 이런 상태들이 "가장 적합하다(the 'fittest')"고 말했다. "이들은 복사 과정에서 살아남을 수 있고, 따라서 이들에 대한 정보는 증식할 수 있다." 이들은 다윈 진화론에 비유하면 이런 식으로 증폭(amplification)되고 복제(replicated)되는 데 능숙하기 때문에 고전적 세계로 번역되기 위해 "선택(selected)"된다. 이것이 주레크 책 제목의 "양자 다윈주의(quantum Darwinism)"이다.

이러한 각인은 극도로 빠르게 증식한다. 2010년 주레크와 그의 협력자 제스 리델(Jess Riedel)은 태양의 광자들이 1마이크로초 안에 먼지 한 알의 위치를 약 천만 번 각인할 것으로 계산했다.

주레크의 양자 다윈주의 이론은 다시 말해 표준 양자역학 방정식만을 양자계와 그 환경의 상호작용에 적용한 것으로, 이제 실험적으로 검증되고 있다. 예를 들어 양자계에 대한 대부분의 정보는 환경에서 아주 소수의 각인들로부터 얻을 수 있다. 정보 내용은 금방 "포화(saturates)"된다. 예비 실험은 이를 확인한다, 하지만 더 할 일이 남아있다.

보았듯이 각 인쇄는 고전적 관찰에 해당한다: 우리가 우리 실재의 한 요소로 고려할 수 있는 무언가. 예를 들어 전자가 자기적으로 위를 향해 있다고 말이다. 하지만 원래 양자 상태가 다른 결과들의 확률들을 포함하기 때문에, 하나의 인쇄는 "위"에 해당하고 다른 하나는 "아래"에 해당할 수 있지 않는가? 따라서 다른 관찰자들이 다른 실재들을 보게 되어, 정확히 중첩은 아니지만 고전적 실재의 여러 버전이라는 명확한 결과로 인해 다중 버전의 고전적 실재를 만들지 않는가?

이것이 우리를 결어긋남 이론의 또 다른 계시로 이끈다. 이것이 내게 주레크의 이론이 이제 완전한 이야기를 들려준다고 확신시키는 것이다. 그것은 모든 인쇄가 동일(identical)해야 한다고 예측한다. 따라서 양자 다윈주의는 고유한 고전적 세상(unique classical world)이 양자 확률에서 생겨나고 반드시 나타날 수 있다고 고집한다. 이런 합의의 강요는 다소 신비하고 임시방편적인 붕괴(collapse) 과정을 대신하는 더 엄격한 무언가로 대체된다. 관찰되고 있는 객체는, 거시적 환경에서 그에 대한 동일하고 관찰 가능한 각인들의 구름에 둘러싸여, 주레크가 말한 대로 "상대적으로 객관적인 존재(relatively objective existence)"의 요소를 형성한다. 그것은 우리의 구체적인 고전적 실재의 일부가 되며, 주레크는 이를 "익스턴턴(extanton)"이라고 부른다.

이것이 이론이 해석에 대한 논쟁을 해소할 것으로 기대되는 지점이다. 주레크는 이것이 불가능해 보이던 것을 달성했다고 말한다: 코펜하겐 해석과 다중우주 해석의 화해이다. 전자에서는 파동함수가 인식론적(epistemic)인 것으로 간주된다: 그것은 우리가 양자 세계에 대해 알 수 있는 것을 묘사한다. 후자에서는 파동함수가 존재론적(ontic)이다: 그것은 궁극적 실재이다 — 모든 분기의 현실을 한 번에 묘사한다 — 비록 우리가 이 양자 다중우주의 한 분기만을 경험할 수 있다 할지라도. 주레크는 파동함수가 실제로는 둘 다라고 말한다. "상태에 대한 두 개의 상충되는 관점[인식론적과 존재론적]과 상태가 그 중 하나여야 한다는 주장은 잘못되었다" 그는 내가 그의 책이 말하는 이야기에 대해 질문했을 때 나에게 말했다. 대신, 상태들은 "에피온틱(epiontic)"이다. 즉, 결어긋남이 일어나기 전에는, 모든 양자 가능성이 어떤 의미에서는 현존한다. 하지만 결어긋남과 양자 다윈主义는 그것들 중 하나만을 우리의 관찰 가능한 현실의 요소로 선택하고, 다른 것들 모두를 다른 세계의 고전적 현실로 할당할 필요성을 없앤다. 다른 상태들은 가능성의 추상적 공간에 존재하지만, 거기에 머물며, 얽힘을 통해 관찰 가능한 현실로 성장할 기회를 얻지 못한다.

나는 주레크의 그림이 마침내 양자역학을 명료하게 한다고 주장하고 싶지 않다. 예를 들어, 왜 특정한 측정에서 이 결과가 선택되고 저 결과는 선택되지 않는가? 우리는(보어와 하이젠베르크가 주장한 대로) 그것이 원인 없이 무작위적으로 일어난다고 단순히 받아들여야 하는가? 그리고 양자 세계가 특정한 측정 결과에 불변의 결단을 내리는 지점은 어디인가, 그렇게 되면 우리는 더 이상 객체와 환경 사이의 얽힌 상호작용의 거미줄에서 중첩(superposition)을 "모을 수 없게" 되는가? 그리고 가장 중요한 것은: 우리는 어떻게 이 이론을 더 엄격하게 테스트할 수 있는가?

주레크의 그림에 대해 내가 이야기한 일부 전문가들은 조심스러운 열정을 표한다. 예를 들어 호주 퀸즐랜드 대학교(University of Queensland)의 샐리 샤프넬(Sally Shrapnel)은 나에게 주레크의 프로그램이 "양자이론의 기본 공리들에서 고전적 개념의 출현을 설명하는 우아한 접근을 대표한다"고 말했지만, 그것이 여전히 "기저의 '양자 기질(quantum substrate)'이 실제로 무엇인지"라는 고민스러운 질문을 다루지 못한다고 덧붙였다. 예를 들어, 우리는 결어긋남 전에 모든 가능성이 여전히 존재하는 영역에 대해 어떻게 생각해야 하는가? 그것은 얼마나 "실재하는"가?

스위스 연방공과대학 취리히(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)의 레나토 레너(Renato Renner)는 코펜하겐 해석과 다중우주 해석 사이의 갈등을 해결하는 것이 모든 문제를 해결한다고 확신하지 못한다. 그는 기이하지만 실험적으로 가능한 시나리오를 구성하는 것이 가능하다는 점을 지적한다. 이런 시나리오에서는 다른 관찰자들이 결과에 동의할 수 없다. 비록 그러한 예외들이 조작된 것처럼 보일지라도, 그는 그것들이 우리가 아직 진정으로 작동하는 양자 해석을 찾지 못했다는 것을 보여준다고 생각한다.

그럼에도 불구하고, 주레크 접근법의 철학은 내게 맞는 것으로 보인다. 양자역학의 측정 문제를 해결하기 위해 정교한 이야기를 꾸며내려고 애쓰는 대신, 표준 양자역학이 양자 객체에 관한 정보가 어떻게 관찰 가능한 세계로 나올 수 있는지에 대해 무엇을 말할 수 있는지 인내심을 가지고 신중히 작업해보는 것은 왜 아닌가? 여기서 양자 개척자들은 그들이 1세기 전 시작한 혁명에서 많은 작업을 미리 마감해 버린 채로 남겨두었다(보통 코펜하겐 해석을 고수하거나 질문 없이 그대로 받아들이는 방식으로). 이제 우리는 적어도 그 과제를 완수할 희망을 가질 수 있다.

출처: Quanta Magazine, "Are the Mysteries of Quantum Mechanics Beginning To Dissolve?" (2026-02-13) 번역