소개 : 물리학에는 많은 법칙과 이론이 있지만 사람들에게 가장 인상 깊은 것은 상대성 이론과 양자 역학입니다. 이 두 이론의 연구 대상은 우리가 살고 있는 세계가 따르는 규칙인데, 너무나 심오해서 예측할 수 없다고 설명할 수 있습니다.또한 상대성 이론과 양자 역학은 공통된 특징을 가지고 있는데 그것은 바로 대부분의 사람들은 전혀 그것을 이해하지 못한다는 것 입니다!
물리학에서 가장 위대한 두 이론은, 비록 둘 다 우리의 세계를 분석하고 있지만 그 출발점은 완전히 다릅니다. 상대성 이론은 주로 거시적 규모의 물질을 연구하는 반면 양자 역학은 미시적 규모의 양자 상태를 연구합니다.
현재로서는 상대성 이론과 양자 역학이 모두 매우 정확한 이론으로 인정을 받고 있지만 두 이론은 서로 물과 불처럼 양립할 수 없습니다. 특히 양자 역학 중의 “양자 얽힘”은 아인슈타인의 상대성 이론을 뒤집은 것으로 인정되는데, 그렇다면 상대성 이론과 양자 역학은 정말로 그 중 하나만 선택되어야 할까요?
상대성 이론과 양자 역학의 모순
사실, 아인슈타인은 상대성 이론의 창시자 일뿐만 아니라 양자 역학의 기초를 다진 사람 중 한 사람 이기도 합니다. 그러나 이상한 점은 아인슈타인 자신은 양자 역학에 거의 동의하지 않는다는 겁니다.
보어(Bohr)가 이끄는 코펜하겐 학파와 양자 역학에 관한 30년 간의 논쟁에서 아인슈타인은 거의 완전히 패배했습니다. 또한 많은 실험에서 양자 얽힘 및 양자 중첩 등 특성의 정확성이 증명되었습니다. 그러나 아인슈타인은 아인슈타인이었습니다. 그는 양자 역학의 합리성을 인정하지 않았고 “하나님은 주사위를 던지지 않을 것”이라고 믿었습니다.
물론 현재 과학계의 인식은 상대성 이론이 옳고 양자 역학도 옳다고 생각합니다. 그러나 이상한 것은 이 두 가지의 정확한 이론이 양립할 수 없는 것처럼 보인다는 것입니다
일반 상대성 이론과 양자 역학 간의 가장 큰 충돌은 네 가지 기본 작용력의 설명에서 일치하지 않는 것에 있습니다. 양자 역학은 힘은 입자의 교환에서 오고, 전자기력은 광자의 교환에서, 약한 힘은 약한 게이지 보손의 교환에서, 강한 힘은 글루온의 교환에서 나온다고 생각합니다. 그러나 중력은 “양자화”할 수가 없습니다. 상대성 이론은 중력이 공간의 구부러짐에 의해 발생한다고 믿지만, 상대성 이론으로는 나머지 세 가지를 설명 할 수 없습니다.
뿐만 아니라 양자 얽힘의 존재는 상대성 이론과 양자 역학 간의 모순을 증가시킵니다. 왜냐하면 양자 얽힘의 속도가 빛의 속도를 초과하거나 심지어 상상 이상으로 훨씬 더 초과할 가능성이 있기 때문입니다. 그러나 상대성 이론에서 빛의 속도는 일정합니다.
거시적 규모의 양자 얽힘
몇 년 전, 핀란드 알토(Aalto) 대학의 응용 물리학과 Mika Sillanp 교수가 이끄는 연구팀은 신기한 실험을 계획했습니다. 이 실험은 거시적 규모로 양자 얽힘을 성공적으로 실현했습니다.
과학자들은 실리콘 칩 위에 놓인 금속 알루미늄 시트로 만들어진 두 개의 진동하는 고막을 이용했습니다. 그것의 직경은 15 미크론으로 사람의 머리카락과 거의 같으며, 각 고막에는 수조 개의 원자가 있는데 이는 미시적인 범위를 완전히 벗어났다고 말할 수 있습니다.
실험 과정이 외부 세계에 방해를 안 받도록 하기 위해, 연구팀은 초전도 회로를 절대 영도 가까이 냉각 시켰는데 대략 섭씨 영하 273도 정도이다. 그런 다음에 마이크로 파장을 사용하여 제어 및 측정을 합니다.
마이크로파의 응용을 통해 회로 중의 고막은 높은 초음파 주파수에서 진동할 수 있습니다. 동시에 또 다른 고막이 이에 대응하는 진동 행위를 발생시킵니다. 과학자들은 먼저 두 고막 사이의 공명 행동을 배제했는데 이는 실험 조건이 이러한 가능성을 차단했기 때문에 유일한 가능성은 오직 “양자 얽힘”뿐이란 것입니다.
뿐만 아니라, 이 양자 얽힘 과정은 거의 30분 정도 지속되었으며, 이는 미시적 규모의 양자 얽힘의 지속 시간 보다 훨씬 더 길었습니다.
사실, 아주 오래전에 과학자들은 거시적 규모의 양자 얽힘이 반드시 존재한다고 생각했습니다. 거시 세계는 원래 미시 세계를 기반으로 구축 되었기 때문에 이유없이 미시 세계에 존재하는 현상이지만 그렇다고 그것을 거시 세계에 두는 것은 잘못된 것입니다!
이 관찰의 결과는 상대성 이론에 대해서도 매우 큰 충격이었습니다. 어쩌면 아주 먼 우주의 깊숙한 곳에 양자 얽힘을 통해 지구와 밀접하게 연결된 또 다른 지구가 있을 것입니다. 아인슈타인이 이 실험을 봤다면 어떤 기분일지 알 수는 없겠지요
출처 : 신랑왕
