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이상한 나라에 온 것을 환영한다. 우리가 지닌 상식은 과연 합당할까? 우리의 두뇌는 우리 세계를 이해하는데 충분한 수준에 도달했을까? 이런 의문을 떠올리게 하는 이야기를 지금부터 시작하겠다.
우리가 살고있는 현실세계. 바로 당신의 바로 주변 모든것들에 대한 이야기이다.
누구나 과거를 후회한다. 지나간 사랑 지나간 너무나 소중한 순간들
그리고 '과거'의 못난 자신을 책망한다.
그때 조금만 더 잘해줬더라면, 조금만 더 더...
하지만 후회해 봤자 지나간 과거는 바꿀 수 없다는걸 알기에 덧없이 느껴지는게 인간의 삶
하지만 만약 지금 이 순간 당신의 어떤 행동이 과거를 그렇게 결정지었다고 혹은 바꿀수도 있다고 말한다면 당신은 어떤 기분이 들겠는가? 어디서 약을 파냐고 생각할지도 모르겠다.
왜냐하면 누구나 상식적으로 생각해봐도 불이나서 소방차가 오지 소방차가 와서 불이 나진 않기 때문이다.
네이처’(Nature Physics 25 May 2015)에 발표된 논문에서 호주대학교 연구팀은 이를 확인했다고 단언했다. 그 내용을 알아보기 전에 배경에 깔린 이야기부터 알아보도록 하자
워낙 유명해서 아는 사람은 다 아는 광자의 이중슬릿 실험이다.
광자를 발사해서 조그만 틈새를 통과하는 걸 관측을 하면 입자의 움직임을 보이고 관측을 안하면 파동의 형식으로 움직인다.
즉, 관측을 하느냐 안하느냐에 따라서 광자가 파동이냐 입자이냐를 결정짓는다는 말이다.
이것만으로도 뭔가 이상한 느낌을 받지만 관측하는 행동이 입자의 운동에 어떤 영향을 줘서 파동이 붕괴했다고 퉁치면 그렇게 까지 이상하진 않을 것이다.
존 휠러(John Wheeler: 1911~2008)라는 미국 프린스턴대학의 유명한 교수가 있었다.
1978년 그는 이 실험에 아주 특별한 제안을 한다.
그는 전자가 슬릿을 통과하고 난 뒤에 체크하여 어느 슬릿을 통과했는지 확인을 하면 스크린의 영상이 입자의 모습을 가지고, 확인하지 않으면 파동으로 나타날거라 주장했다.
슬릿을 통과한 뒤에 체크하는 것이기 때문에 슬릿 통과에는 영향을 주지 않을 것 같은데 역시 어느 슬릿에서 왔는가를 지나고 난 뒤에라도 확인하면 입자이고 그렇지 않으면 파동으로 나타난다는 것이다.
그리고 1982년 마를란 스컬리와 카이 드륄은 방식은 조금 다르지만 '양자지우개'라는 개념을 도입하여 직접 실험해보기로 한다.
실험의 개요는 '지나가는 광자에 꼬리표를 달아주는 장치(꼬리표 부착기)'를 두 개의 슬릿 바로 앞에 각각 설치한다. (사진에서라면 b와c) 그러면 광자기 스크린에 도달한 후 꼬리표를 확인하여 그 광자가 어떤 슬릿을 통과했는지 확인할 수 있다. 가령, 광자가 b를 통과했다면 b꼬리표, c를 통과했다면 c꼬리표
"광자에 어떻게 꼬리표를 달아야 하는가?" 슬릿을 통과하는 광자의 스핀 축이 어떤 측정 방향을 향하도록 만들어 주는 장비를 사용하면 된다. 그리고 입자가 도달한 위치뿐만 아니라 스핀까지도 측정할 수 있는 고급형 스크린을 사용한다면 '어떤' 광자가 '어떤' 슬릿을 통과했는지 판별할 수 있다.
어쨌든 꼬리표를 부착한 이중슬릿 실험의 결과는 광자가 입자의 형태로 나타났다. 꼬리표로 광자가 지나간 과거 정보를 알 수 있기 때문이다.
그런데 만약 광자가 스크린에 닿기 직전에 표시를 제거하면 어떻게 될까?
이미 슬릿을 통과하고 난 뒤에 제거하는거니까 달라질것 없이 광자의 모습을 띌거라는 생각이 든다.
하지만 놀랍게도 결과는 파동의 성질로 나타났다.
즉, 엄연히 존재했던 과거를 없애버린 것이다.
그런데 일반 감지기와 꼬리표 부착기가 똑같이 상태를 확인한다는 점에서 같은거 아님?
감지기 vs 꼬리표 부착기
만일 꼬리표 부착기가 아닌 '광자감지기'를 슬릿 앞에 설치했다면 광자는 감지기를 지나는 순간부터 파동성을 완전히 포기하고 입자처럼 행동할 것이며, 이렇게 결정된 광자의 정체성은 미래에 어떤 후속조치를 취한다 해도 결코 바뀌지 않을 것이다. 그러나 감지기가 아닌 꼬리표 부착기를 사용했다면 사정은 크게 달라진다.
그러나 여기 또 하나의 충격적인 실험이 아직 남아 있다. 양자지우개 실험을 조금 변형시키면 기존의 시간과 공간 개념을 심각하게 위협하는 놀라운 결과가 얻어진다.
실험장치
그림에서 BS1이 반사거울인데 이쪽으로 광자 한알 쏘면 빛이 통과하거나 반사 둘중 하나
그러면 검출기 D1또는 D2어느 한쪽에만 검출된다. 즉 입자의 성질을 띄고있음
그런데 빛이 출발하고 난 뒤에 검출기에 도착하기 직전 그림처럼 반씩 통과시키는 BS2 거울을 하나 더 설치하면 어떤일이 벌어질까?
빛이 알갱이라면 첫번째 그림과 같이 D1,D2 어느쪽에서라도 발견되야겠야 정상이다.
하지만 실험 결과는 오직 D2검출기에서만 단일 광자가 검출된다.
이것이 의미하는 것은 무엇일까?
바로 빛의 파동의 성질로 인해 간섭을 일으켜서 D1에서 위상이 상쇄어 없어지고 D1에서 파동이 합쳐져 광입자가 됐다는 의미이다.
즉, 나중에 일어난 일이 빛이 파동으로 왔는지 입자로 왔는지 이미 지난 일을 결정해버리는 것이다.
이것이 의미하는 무서운 점
가령 10광년 거리 스케일로 이 실험장치를 크게 확대해보자. 빛을 쏘고 난 후 먼 미래인 10년뒤 반사판의 설치 유무에 따라서 현재의 빛의 경로가 달라진다.
미래에 일어날 사건의 도움을 받아 과거의 스토리가 완성되는 셈이다.
그리고 최근의 일인 2015년 휠러가 처음 제안한 사고실험을 호주 국립대학교의 트라스코트(Anders Trascott)와 그의 대학원 학생이 레이저 격자를 만들어 절대온도 0도(섭씨 –273도)에 가까운 ‘보즈-아인슈타인 응집물질’에서 떨어지는 마지막 원자를 이용하여 휠러의 사고실험을 확인했다는 논문을 ‘네이처 물리’온라인에 발표했다.
“시간이란 모든 것이 함께 일어나지 못하게 하는 것이다.”