1. 양자 이론은 모든 스케일에 적용됩니까?심지어 관찰자의 척도까지 포함하나요?1961년 노상 수상자이자 물리학자인 유진 비그너(Eugene Wigner)는 관찰되고 있는 관찰자에게 양자역학을 적용하면 어떤 일이 일어날까 하는 의문을 제기했다.
그의 사상실험에서 그는 자신의 친구(관찰받는 관찰자)가 밀폐된 실험실에 갇혀 있다고 상상했는데, 이 친구는 그 안에서 앞면과 이면의 중첩상태인 양자 동전을 던지고, 친구가 던지기를 마칠 때마다 동전의 중첩태는 앞면이나 이면의 상태로 쪼그라들기 때문에 친구는 항상 명확한 결과를 관측할 수 있다;하지만 실험실 밖에 있는 비그너는 그것에 대해 아무것도 몰랐고, 그에게는 그 중첩이 여전히 존재했고, 그는 친구와 동전을 실험의 가능한 모든 결과의 중첩으로 묘사해야 했다.
다음으로 비그너와 친구들이 뒤늦게 던지기 결과에 대해 의견을 교환할 때, 자신의 친구가 자신이 동전을 던질 때마다 명확한 결과를 보았다고 생각하는 것을 발견하게 되는데, 비그너가 관측한 것은 '친구'와 '동전'의 중첩 양상이다. 그들의 경험은 서로 충돌하여 관측 결과에 대한 합의를 이룰 수 없었다. 그러자 문제는 딜레마에 빠져 친구의 눈에 비친 현실이 외부의 현실과 일치하지 않는다는 역설을 형성했다.
최근 네이처-물리 잡지에 새로 발표된 한 연구는 '비그너의 친구' 역설에 대해 지금까지 가장 유리한 증명을 제공했다. 새로운 연구에서 호주 출신의 물리학자 Nora Tischler와 그녀의 동료들은 비그너의 사상 실험을 수학 정리로 돌렸고 광자를 이용해 이 필리버스터를 실험 검증했다.
2. 2015년, 비엔나 대학의 물리학자인 샬라브 Brukner는 일정한 가설 하에 비그너의 친구의 역설이 양자역학에서의 측정이 관측자들에게 주관적이라는 것을 증명하는 데 사용될 수 있다는 이론을 발전시켰다.
Brukner의 사상 실험에서는 얽히고설킨 '비그너와 비그너의 친구' 두 쌍을 사용했는데, 각 비그너의 친구들은 하나의 입자를 가지고 있었고, 이어 이 두 친구는 각각 서로 다른 두 개의 밀폐된 실험실에 배치되어 각각의 실험실에서 각각의 입자를 측정했다. 실험실 밖에 있는 두 비그너는 입자를 측정하고 있는 해당 친구를 측정한 다음 두 비그너가 서로 답을 교환하며 이 과정을 반복한다. 두 친구가 본 것이 명확한 결과라면, 두 비그너가 발견한 결과 사이에는 도리에 따라 미약한 상관관계만 보여야 한다; 그러나 비그너들이 발견한 것은 매우 관련성이 높은 패턴이다. 그것은 모순에 빠진다.
2018년 Brukner의 사상 실험에 허점이 있다는 연구가 있었다. 그리고 Tischler와 그녀의 공동저자는 최신 연구에서 이 허점을 메웠다. 이것은 Brukner의 사상 실험에 설치된 가설과 관련된 문제이다. Brukner의 이론은 다음과 같은 세 가지 가설을 바탕으로 합니다.
측정을 수행할 때 두 친구가 관측한 결과는 실제적이고 단일한 사건입니다.
관찰자는 자유롭게 실험 설정을 선택하여 랜덤 실험을 할 수 있습니다.
일단 자유 선택을 했다면, 결과의 우주에서의 확산 속도는 빛의 속도보다 더 빠르지 않을 것이다. 즉, 물리는 국지적이고 일정한 거리에서 어떠한 형태의 '초거리 작용'도 없다.
이 세 가지 기본 가설은 타당해 보이고 정확하다는 인식이 널리 퍼져 있다. 그리고 새로운 연구에서 물리학자가 비그너의 친구 역설을 발견한 것은 양자역학이 통용되고 더 큰 것을 묘사하는 시스템에 적용될 수 있다면-예를 들어 관찰자의 것이라면, 위의 세 가지 가설 중 하나는 틀려야 한다는 것을 의미한다.
그러나 그 중 어떤 것도 배척하는 것은 우리가 이 세상을 이해하는 데 지대한 영향을 미칠 것입니다.
- 실제 실험 조작에서 그들은 비그너를 그의 친구들과 "본받아야" 하기 위해 얽히고설킨 광자를 만들었다. 실험 장치의 광학 장치는 광자의 편정에 따라 각 광자를 하나의 경로로 끌어당깁니다. 이 부분은 친구들이 관측한 결과에 해당하며, 이후 광자는 비그너들의 역할을 하는 다른 탐사선 그룹에 들어갑니다. 실험 결과는 친구 그룹과 위그너 그룹 사이에 조화할 수 없는 양립이 없음을 보여 줍니다.
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더 중요한 것은 입자의 얽힘 정도를 정밀하게 변화시킴으로써 연구자들은 이 양립할 수 없는 등장이 Brukner가 설정한 장면과는 다른 장면 아래에서 발생한다는 것을 발견했다. 이것은 또한 이 세 가설 중 하나가 버려져야 한다는 것을 보여준다.
문제가 "국소성"에서 발생합니까?국지적인 가설을 버리려고 한다면, 두 관찰자가 멀리 떨어져 있더라도 한 관찰자의 행동이 다른 관찰자의 결과에 영향을 미친다는 것은 합리적이지 않은 것 같다는 의미이다. 또는 한 관찰자가 경험했다는 사실은 이렇고, 또 다른 관찰자가 경험했다는 사실은 그런 것인데, 그들은 서로 맞물릴 필요가 없는가?그것은 급진적인 상대주의이며, 많은 사람들도 그것에 대해 받아들이기 어렵다. 아니면 양자역학 자체가 효력을 상실한다는 것일까?이런 가능성은 더 큰 스케일에서 양자역학 실험을 통해 검증할 수 있다. 하지만 이것은 대부분의 물리학자들에게는 틀림없이 불편한 결과일 것이다.
4. 하지만 현재로선, 새로운 연구에서 실험에 사용된 "관측자"가 가진 "지능성"은 매우 낮으며, 그것은 두 가지 기억 상태, 즉 하나의 광자의 서로 다른 두 가지 경로만을 가지고 있다. 따라서 역설의 세 가지 기본 가설 중 하나가 분명 틀렸다는 것을 증명하는 이 문제에 연구진은 이 연구를 결정적 증명이 아닌 원리 논증이라고만 할 수 있다.
이 역설을 보다 설득력 있게 증명하려면 실험 중인 관찰자들은 인간의 지능 수준을 갖춘 인공지능 프로그램과 같은 더 높은 수준의 '지능'을 가질 필요가 있다. 그러나 이것을 실현하려면, 우리는 조금 더 기다려야 할지도 모른다.
