양자 '붕괴' 이론에 대한 물리학 실험의 종결

수십 년 된 양자 괴상함 설명의 종말을 예고하는 실험

물리적 붕괴(physical-collapse) 이론은 오랫동안 양자 세계의 핵심 신비에 대한 자연스러운 해법을 제시해왔다. 하지만 점점 정밀해지는 일련의 실험들이 이 이론들을 받아들일 수 없게 만들고 있다.

소개

객관적 실재(objective reality)는 양자역학이 제공하는 가능성의 팔레트에서 어떻게 출현하는가? 이 질문은 이론이 제기하는 가장 깊고 골치 아픈 문제로, 100년이 지난 지금까지 논쟁의 대상이다. 세상에 대한 관찰이 어떻게 명확한 "고전적(classical)" 결과를 산출하는지에 대한 가능한 설명은, 양자역학이 무엇을 의미하는지에 대한 해석을 바탕으로 지난 100여 년 동안 계속 증가해왔다.

하지만 이제 우리는 적어도 한 범주의 제안들을 제거할 준비가 되었을지 모른다. 최근 실험들은 입자물리학 기기의 극도의 민감도를 동원하여, 양자 가능성들이 단일한 고전적 실재로의 "붕괴(collapse)"가 단순한 수학적 편의(p mathematical convenience)가 아니라 실제 물리적 과정이라는 아이디어를 테스트했다. 이 아이디어는 "물리적 붕괴(physical collapse)"라고 불린다. 실험들은 이런 붕괴 모델들 중 가장 단순한 형태들에 의해 예측된 효과에 대한 증거를 찾지 못했다.

아직 물리적 붕괴가 일어나지 않는다고 단정하기에는 이르다. 일부 연구자들은 이 모델들이 여전히 수정되어 실험들의 무효 결과(null results)가 부과한 제약에서 벗어날 수 있다고 믿는다. 하지만 "어떤 모델이든 구제하는 것은 항상 가능하다"고, 실험 중 하나를 이끈 이탈리아 트리에스테 국립핵물리연구소(INFN)의 이론물리학자 산드로 도나디(Sandro Donadi)는 말했지만, 그는 "그렇게 해서 배울 것이 그리 많지 않을 것이므로, 공동체가 모델들을 [무한정] 수정하는 것을 계속하지는 않을 것"이라고 의심했다. 이 양자이론의 가장 큰 신비를 해결하려는 시도에 대한 올가미가 조여지고 있는 것 같다.

붕괴의 원인은 무엇인가?

물리적 붕괴 모델은 전통적인 양자이론의 핵심 딜레마를 해결하고자 한다. 1926년 에르빈 슈뢰딩거는 양자 객체가 파동함수(wave function)라는 수학적 개체로 묘사된다고 주장했다. 파동함수는 객체와 그 속성에 대해 말할 수 있는 모든 것을 담고 있다. 이름이 암시하듯, 파동함수는 일종의 파동을 묘사한다. 하지만 물리적 파동이 아니라 "확률파(probability wave)"이다. 이는 객체에 대한 측정의 다양한 가능한 결과들을 예측하고, 주어진 실험에서 그중 어느 하나를 관찰할 확률을 알려준다.

이런 객체들을 동일한 방식으로 준비한 상태에서 많은 측정을 하면, 파동함수는 항상 결과의 통계적 분포를 올바르게 예측한다. 하지만 어떤 단일 측정의 결과가 무엇이 될지 알 방법은 없다. 양자역학은 확률만 제공할 뿐이다. 무엇이 특정한 관찰을 결정하는가? 1932년, 수학물리학자 존 폰 노이만(John von Neumann)은 측정이 이루어질 때, 파동함수가 가능한 결과들 중 하나로 "붕괴(collapsed)"된다고 제안했다. 이 과정은 본질적으로 무작위이지만, 그것이 담고 있는 확률에 의해 편향된다. 양자역학 자체는 붕괴를 예측하는 것처럼 보이지 않으며, 계산에 수동으로 추가해야 한다.

임시방편적인 수학적 꼼수로서는 충분히 잘 작동한다. 하지만 일부 연구자들에게는(그리고 계속해서) 만족스럽지 않은 속임수처럼 보였다. 아인슈타인은 유명하게 이것을 신이 우리의 고전적 세계에서 실제로 관찰되는 것이 무엇이 될지 결정하기 위해 주사위를 던지는 것에 비유했다. 덴마크 물리학자 닐스 보어는 소위 코펜하겐 해석에서, 물리학자들이 단순히 양자와 고전 영역 사이의 근본적인 구별을 받아들여야 한다고 선언하며 이 문제를 영역 밖으로 치부했다. 대조적으로, 1957년 물리학자 휴 에버리트는 파동함수 붕괴가 단지 환상이며, 실제로는 모든 결과가 근접 무한한 수의 분기 우주들에서 실현된다고 주장했다. 물리학자들이 이제 "다중우주(many worlds)"라고 부르는 것이다.

"파동함수 붕괴의 근본적인 원인은 아직 알려지지 않았다"고 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립연구소의 물리학자 인욱 김(Inwook Kim)은 말했다. "왜, 어떻게 그것이 일어나는가?"

1986년, 이탈리아 물리학자 지안카를로 기라르디(Giancarlo Ghirardi), 알베르토 리미니(Alberto Rimini), 툴리오 베버(Tullio Weber)는 답을 제시했다. 그들은 말했다, 슈뢰딩거의 파동방정식이 전체 이야기가 아니라면 어떨까? 그들은 양자계가 끊임없이 어떤 알려지지 않은 영향에 의해 자발적으로 시스템의 가능한 관찰 가능한 상태들 중 하나로 뛰어들도록 유도될 수 있다고 가정했다. 이는 시스템이 얼마나 큰지에 따라 달라지는 시간 척도에서 일어난다. 양자 중첩(superposition) 상태(여러 측정 결과가 가능한 상태)에 있는 원자와 같은 작고 고립된 시스템은 매우 오랫동안 그 상태를 유지할 것이다. 하지만 더 큰 객체—고양이를 예로 들거나, 거시적 측정 장치와 상호작용하는 원자—는 거의 즉시 명확한 고전적 상태로 붕괴한다. 이 소위 GRW 모델(세 사람의 이니셜을 따서)이 첫 번째 물리적 붕괴 모델이었다. 나중에 연속적 자발적 국소화(continuous spontaneous localization, CSL) 모델로 알려진 개선안은 갑작스러운 도약보다는 점진적이고 연속적인 붕괴를 포함했다. 호주 퀸즐랜드 대학교의 물리학자 마그달레나 지흐(Magdalena Zych)가 말한 것처럼, 이 모델들은 양자역학의 해석이라기보다는 양자역학에 대한 추가(additions)이다.

무엇이 이런 자발적 국소화—파동함수 붕괴를—일으키는가? GRW와 CSL 모델은 말하지 않는다. 그들은 단지 슈뢰딩거 방정식에 이것을 묘사하는 수학적 항을 추가하라고 제안할 뿐이다. 하지만 1980년대와 90년대에, 옥스퍼드 대학교의 수학물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose)와 부다페스트 에트베스 로란드 대학교의 라요스 디오시(Lajos Diósi)는 붕괴의 가능한 원인을 독립적으로 제안했다: 중력(gravity). 느슨하게 말하자면, 그들의 아이디어는 양자 객체가 위치의 중첩에 있다면, 각 위치 상태가 중력 상호작용을 통해 다른 상태들을 "느낄" 것이라는 것이었다. 마치 이 끌림이 객체가 자신을 측정하게 하여 붕괴를 강제하는 것처럼. 또는 일반상대성이 중력을 묘사하는 관점에서 보면, 위치들의 중첩은 시공간의 구조를 두 가지 다른 방식으로 동시에 변형시키며, 이는 일반상대성이 수용할 수 없는 상황이다. 펜로즈가 말한 것처럼, 양자역학과 일반상대성 사이의 대결에서 양자가 먼저 깨질 것이다.

진실의 시험

이 아이디어들은 항상 고도로 추측적이었다. 하지만 코펜하겐이나 에버리트 해석과 같은 양자역학에 대한 설명들과는 대조적으로, 물리적 붕괴 모델은 관찰 가능한 예측—따라서 테스트 가능하고 반증 가능(falsifiable)하다는—장점이 있다.

붕괴를 유발하는 배경 섭동(perturbation)이 실제로 존재한다면—그것이 중력 효과에서 오든 다른 것에서 오든—모든 입자는 중첩 상태인지 아닌지에 상관없이 이 섭동과 끊임없이 상호작용할 것이다. 결과는 원칙적으로 탐지 가능해야 한다. 이 상호작용은 브렘스스트라훙(bremsstrahlung)이라는 과정에서 전자기 복사를 생성할 것이다. 덩어리의 물질은 따라서 매우 희미한 광자 스트림을 연속적으로 방출해야 하며, 모델의 전형적인 버전들은 이것이 X선(X-ray) 범위일 것으로 예측한다. 도나디와 그의 동료 안젤로 바시(Angelo Bassi)는 이런 복사의 방출이 디오시-펜로즈(Diósi-Penrose) 모델을 포함한 동적 자발 붕괴의 어떤 모델에서나 예상된다고 보여주었다.

그러나 "아이디어는 간단하지만, 실제로 테스트는 그렇게 쉽지 않다"고 김은 말했다. 예측된 신호는 극도로 약하다. 이는 실험이 탐지 가능한 신호를 얻기 위해 엄청난 수의 대전 입자를 포함해야 함을 의미한다. 그리고 배경 잡음(noise)—우주선과 환경의 복사와 같은 공해들로부터 오는—은 낮게 유지되어야 한다. 그런 조건은 암흑물질 신호나 중성미자(neutrinos)라는 곤란한 입자들을 탐지하도록 설계된 것들과 같은, 극도로 민감한 실험에 의해서만 충족될 수 있다.

1996년, 뉴욕 해밀턴 칼리지의 푸치지아( Qijia Fu)—그때는 학부생에 불과했다—는 X선 방출의 CSL 시그니처를 탐지하기 위해 게르마늄 기반 중성미자 실험을 사용할 것을 제안했다. (그는 논문을 제출한 몇 주 후, 유타에서의 등산 여행 중 번개에 맞아 사망했다.) 아이디어는 게르맘늄의 양성자와 전자들이 자발적 복사를 방출해야 하며, 이를 극도로 민감한 검출기들이 포착할 것이라는 것이었다. 하지만 그런 민감도를 가진 기기들이 최근에야 가동되기 시작했다.

2020년, 이탈리아의 한 팀—도나디, 바시, 커키아누(INFN의 물리학자 카탈리나 커키아누), 헝가리의 디오시를 포함하여—는 이런 종류의 게르마늄 검출기를 사용하여 디오시-펜로즈 모델을 테스트했다. 검출기들은 IGEX라는 중성미자 실험을 위해 만들어진 것들로, 이탈리아 아펜니노 산맥의 그란 사소(Gran Sasso) 산 아래에 위치해 있어 복사로부터 차폐되어 있다.

남은 배경 신호—대부분 암석의 자연 방사성—를 신중하게 뺀 후, 물리학자들은 디오시-펜로즈 모델의 가장 단순한 형태를 배제할 민감도 수준에서 방출을 보지 못했다. 그들은 또한 다양한 CSL 모델들이 여전히 작동할 수 있는 매개변수들에 대해 강력한 한계를 설정했다. 원래의 GRW 모델은 이 빡빡한 창 틈 안에 겨우 들어있다. 그것은 턱수염 하나 차이로 살아남았다.

2022년 8월에 발표된 논문에서, 2020년 결과는 주로 마조라나 중성미자(Majorana neutrinos)—스스로의 반입자라는 흥미로운 성질을 가진 가상의 입자들—을 찾기 위해 설립된 마조라나 데모스트레이터(Majorana Demonstrator) 실험에 의해 확인되고 강화되었다. 이 실험은 사우스다코타의 한 폐금 광산 지하 거의 5,000피트에 위치한 샌퍼드 지하 연구 시설(Sanford Underground Research Facility)에 housed되어 있다. IGEX보다 더 많은 고순도 게르마늄 검출기 배열을 가지고 있으며, 이들은 낮은 에너지까지 X선을 탐지할 수 있다. "우리의 한계는 이전 작업에 비해 훨씬 더 엄격하다"고 팀 멤버인 김은 말했다.

지저분한 결말

물리적 붕괴 모델들이 심각하게 질병을 앓고 있지만, 완전히 죽은 것은 아니다. "다양한 모델들은 붕괴의 성질과 특성에 대해 매우 다른 가정을 한다"고 김은 말했다. 실험적 테스트들은 이제 이 값들에 대한 대부분의 그럴듯한 가능성들을 제외했지만, 여전히 작은 희망의 섬이 남아있다.

연속적 자발적 국소화 모델들은 파동함수를 섭동하는 물리적 실체가 일종의 "잡음장(noise field)"이라고 제안하며, 현재의 테스트들은 이것이 모든 주파수에서 균일한 백색잡음(white noise)이라고 가정한다. 그것은 가장 단순한 가정이다. 하지만 잡음이 어떤 고주파 차단과 같은 "색잡음(colored)"일 수도 있다. 커키아누는 이런 더 복잡한 모델들을 테스트하려면 지금까지 가능했던 것보다 더 높은 에너지에서 방출 스펙트럼을 측정해야 할 것이라고 말했다.

마조라나 데모스트레이터 실험은 현재 종료되고 있지만, 팀은 중성미자 질량을 탐구하는 또 다른 실험인 게르다(Gerda)와 협력하여 레전드(Legend)라는 새로운 협력을 형성하고 있다. 그란 사소에 기반을 둔 이 실험은 더 무겁고 따라서 더 민감한 게르마늄 검출기 배열을 가질 것이다. "레전드가 CSL 모델들에 대한 한계를 더 밀어붙일 수 있을 것"이라고 김은 말했다. 또한 환경적 진동으로 인한 잡음을 겪지 않을 우주 기반 실험에서 이런 모델들을 테스트할 것에 대한 제안들도 있다.

반증은 힘든 작업이며, 거의 깔끔한 종착점에 도달하지 못한다. 지금도, 커키아누에 따르면, 일반상대성에 대한 그의 작업으로 2020년 노벨물리학상을 수상한 로저 펜로즈는 자발적 복사가 전혀 없는 버전의 디오시-펜로즈 모델을 연구하고 있다.

그럼에도 불구하고, 일부는 이 양자역학에 대한 관점에 대해 종말이 코앞이라고 의심한다. "우리가 해야 할 일은 이 모델들이 무엇을 달성하려 하는지, 그리고 동기가 된 문제들이 다른 접근을 통해 더 나은 답을 가질 수 없는지 다시 생각하는 것"이라고 지흐는 말했다. 측정 문제가 더 이상 문제가 아니라고 주장하는 사람은 거의 없겠지만, 우리는 첫 번째 붕괴 모델들이 제안된 이후 수십 년 동안 양자 측정이 무엇을 수반하는지에 대해 많은 것을 배웠다. "우리는 수십 년 전 이 모델들이 무엇을 위해 만들어졌는지 그 문제로 돌아가야 한다고 생각한다"고 그녀는 말했다, "그리고 그 사이에 우리가 배운 것들을 진지하게 받아들여야 한다."