[재밌는 양자역학] 15. EPR 역설과 양자얽힘

안녕하세요 ~ 생각하는 공대생입니다.

오늘은 EPR 역설에 대해 알아보겠습니다.

EPR 역설(EPR paradox)이란 

아인슈타인을 중심으로한 학자들이 제안한 사고실험입니다!!

아인슈타인은 코펜하겐 해석의 '관측에 의해 물리량이 바뀐다'라는 것을 못마땅해 했습니다.

그래서 관측을하지 않고도(교란 없이) 물리량을 알아 낼 수 있는 방법을 제안한 것입니다.

좀 전문적으로 말하자면 '물리량은 실재한다' (실재성)라는 뜻이죠.

예를 들어볼까요?

박스에 빨간공과 파란공이 들어있습니다.

다음에 공의 위치를 모르게 상자를 밀봉합니다. 

그 후 관측하는 사람의 눈을 가리고 아무 공이나 꺼내게 합니다.

공을 꺼낸 후 눈을 계속 가린채로

상자를 다시 닫습니다.

그런다음 눈을 뜨고 가져온 공의 색깔을 확인합니다.

그럼 상자안의 공의 색깔은?

당연히 상자 안을 확인하지 않고도

가져온 공의 색깔과 다른 색깔임을 알 수 있습니다.

자 어떤가요??

색깔도 일종의 물리량인데요,

상자안의 공을 직접 관측하지 않고도

간접적으로 공의 색깔을 알아냈습니다!

자 이제 진짜 입자로 넘어가볼까요?

입자에는 스핀(spin)이라는 성질이 있습니다.

축을 중심으로 오른쪽으로 도냐(spin up) 왼쪽으로 도냐(spin down)인데요.

어떤입자는 처음에는 이 두 상태가 중첩되어 있습니다.

이 때 입자가 A 입자와 B 입자로 붕괴한다고 했을때

A 입자의 스핀상태를 확정하면

B 입자는 자동으로 다른 스핀상태로 '즉시' 결정됩니다.

이를 양자얽힘(quantum entanglement)이라고 합니다.

응??

그렇다면 하나의 입자에서 붕괴된  A 입자와 B 입자를 엄청나게 멀리 떨어뜨려봅시다.

약 1000광년 정도로요.

케플러 7-b라는 행성은 지구로부터 무려 1000광년 거리에 있는 행성입니다.

A 입자의 스핀을 up 시키는 그 즉시 

1000광년 떨어진 B 입자의 스핀이 down으로 결정되었습니다.

이상한 점을 발견하셨나요?

1000광년이란, 빛의 속도로 달려도 1000년이 걸리는 거리라는 뜻입니다.

왕복이면 무려 2000년이죠.

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면

그 어떤것도 빛보다 빠를 수 없습니다.

그런데 지구와 케플러 7-b에 사는 사람들은 양자얽힘을 이용해 

정보를 '즉시' 주고 받았습니다!!!!

아인슈타인의 상대성이론과 정면충돌하는 결과가 발생하는 것이죠.

아인슈타인은 이를 통해 양자역할을 비판하며

 '유령같은 원격 작용'이라며 비웃었습니다.

여기서 국소성(locality)의 개념이 다시 등장하는데요

국소성 : 특수상대성이론 : 입자간 상호작용이 있으려면 빛 같은 무언가를 주고 받아야 한다.

비국소성 : 코펜하겐 해석 : 그런거 필요 없다. 아무리 멀리 떨어져 있어도 즉시 정보교환 가능.

대충 요렇게 정리할 수 있겠네요.

여기에는 한가지 더 문제점이 있습니다.

바로 하이젠베르크의 불확정성 원리!!

불확정성의 원리에 따르면 서로 관계가 있는 물리량은 동시에 정확하게 측정할 수 없습니다.

그런데, 아인슈타인은 이렇게 주장합니다.

쪼개진 두 입자는 운동량이 같고 방향만 반대이다.

그렇다면 A의 운동량을 측정하면

B의 위치에 영향을 주지 않고도 B의 운동량을 정확히 측정할 수 있으며

그 반대역시 마찬가지이다.

이럼에도 양자역학이 완전한 이론이라고 주장할 수 있는가? 라고 말이죠.

비록 사고실험이지만 아인슈타인은 양자역학의 약점을 파고듭니다.

양자역학이 이처럼 불완전한것은 아직 우주에는 우리가 모르는 무언가가 있기 때문이다.

나는 이것은 숨은 변수(Hidden variable)라고 부르겠다.

다음에 계속