우주가 숨겨둔 ‘유령 같은 연결’을 찾아내다
양자역학이라는 말은 대중에게 늘 어렵고 생소하게 다가온다. 하지만 2022년 노벨 물리학상 수상자들의 연구는 사실 ‘세상은 우리가 보는 것보다 훨씬 더 끈끈하게 연결되어 있다’는 점을 증명한 아주 흥미로운 이야기이다.
우리가 사는 상식적인 세상에서는 내가 서울에 있고 친구가 뉴욕에 있다면, 내가 점심으로 무엇을 먹었는지 친구가 알기 위해선 반드시 전화나 문자 같은 ‘신호’가 전달되어야 한다. 빛보다 빠른 것은 없기에, 그 소식이 전달되는 데는 아주 짧더라도 반드시 시간이 걸린다. 이것이 우리가 믿어온 물리적 상식이다.
하지만 양자역학의 세계는 달랐다. ‘양자 얽힘’이라는 상태에 있는 두 입자는 아무리 멀리 떨어져 있어도, 한쪽의 상태가 결정되는 순간 동시에 반대쪽의 상태가 결정된다. 아인슈타인은 이 현상을 두고 “유령 같은 원격 작용”이라며 죽을 때까지 믿지 않았다. 그는 입자들이 태어날 때부터 각자 어떤 상태가 될지 미리 정해져 있을 뿐이라고 생각했다.
2022년 노벨상을 받은 세 명의 과학자(클라우저, 아스페, 차일링거)는 바로 이 아인슈타인의 의구심이 틀렸고, 양자역학의 기묘한 현상이 맞다는 것을 실험으로 증명했다.
먼저 존 클라우저는 입자들이 미리 짠 각본대로 움직이는지 확인하는 실험 장치를 처음으로 고안했다. 그 결과, 입자들은 미리 약속된 대로 움직이는 것이 아니라 정말로 실시간으로 서로 연결되어 반응한다는 첫 단서를 찾아냈다.
그 뒤를 이은 알랭 아스페는 실험의 빈틈을 완벽히 메웠다. “입자들이 날아가는 도중에 서로 몰래 신호를 주고받을 수도 있지 않으냐”라는 의심을 차단하기 위해, 입자가 날아가는 그 찰나의 순간에 측정 방식을 무작위로 바꿔버렸다. 소통할 시간조차 주지 않았음에도 두 입자는 여전히 완벽하게 연결되어 있었다. 이로써 양자 세계의 ‘즉각적인 연결’은 부정할 수 없는 사실이 되었다.
마지막으로 안톤 차일링거는 이 기묘한 현상을 실험실 밖의 실제 기술로 끄집어냈다. 그는 얽힘 현상을 이용해 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 ‘양자 원격 전송’에 성공했다. 마치 SF 영화 속 순간 이동의 아주 기초적인 원리를 실현한 셈이다.
결국 이들의 연구는 우리에게 중요한 사실 하나를 일깨워준다. 우리가 사는 우주는 눈에 보이는 것들이 전부가 아니며, 보이지 않는 끈으로 연결된 거대한 정보의 그물망 같다는 점이다. 이 발견 덕분에 인류는 이제 도청이 불가능한 통신을 만들고, 슈퍼컴퓨터보다 수억 배 빠른 양자 컴퓨터를 꿈꿀 수 있게 되었다.
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