| 아스페, 양자얽힘 실제 실험(1982)으로 노벨상 2022 수상 |
아스페, 양자얽힘 실제 실험수행(1982)이 실험으로 아스페는 4년 후에 박사학위를 받았고 40년 후인 2022년 노벨상을 받았다. 아스페의 1982년 실험결과를 중요하게 다룬 제 논문을 부끄럽지만 소개합니다.  제 학위논문(Giessen,1993) 주제는 아인슈타인과 닐즈 보어 사이의 양자파동함수의 실재성 논쟁입니다. 당대 논쟁은 이론적인 논쟁이었고 양자얽힘에 대한 실제 실험은 불가능했습니다. 1970년대부터 양자얽힘 사이의 거리 10m 수준에서 얽힘에 대한 실질적인 실험결과들이 발표되기 시작했습니다. 특히 1982년 프랑스 아스페Aleen Aspect는 3번에 걸친 실제 실험으로 양자얽힘 현상을 결정적으로 확증했습니다. 이로서 아인슈타인의 '숨겨진 변수이론'이 아니라 닐즈 보어의 양자얽힘이론이 맞는 것으로 실증되었습니다. 숨겨진 변수이론의 양자론 해석을 실재론realism으로 말합니다. 아스페의 실험결과는 전자나 photon 수준의 양자계에서 아인슈타인의 실재론 해석보다 닐즈보어의 얽힘이론이 맞는 것임을 보여주었으나 그럼에도 불구하고 대부분의 물리학자들은 숨겨진 변수이론의 실재론 입장을 취하고 있습니다. 제 논문은 아스페 등의 결정적인 실혐결과에도 불구하고 왜 실재론자들은 양자역학의 파동함수가 보여준 얽힘을 수용하지 못하는가라는 패러독스를 다룬 것입니다. 아스페의 얽힘 실험결과가 40년이 지난 지금 양자정보론이나 양자컴퓨터 기대감을 더해주는 이유?서로 다른 방향으로 쏜 2개, 반대 스핀을 갖는 2개의 포톤(포톤1,포톤2) (혹은 전자와 양전자)이 서로 독립적 존재임에도 불구하고 포톤1이 외부력에 의해 운동방향에 바뀔 때 동시에 그에 무관하고 독립적인 포톤2도 운동력에 변화가 생긴다는 점이다. 이 경우 2개의 입자를 상호 얽힘entangled라고 표현한다. 이러한 얽힘을 아스페가 실제 실험에서 밝혔다는 데 의의가 있다. 아스페 실험에서는 포톤1과 포톤2 사이의 거리가 15미터 수준이었지만 두 개의 정보입자 사이의 거리가 150만km 떨어져 있어도 둘 사이에 동시적인 정보교환이 가능하다는 점이다. 이런 점이 현실에서 이뤄진다면 정보통신 분야는 엄청난 변화를 맞이하게 된다. 이런 파괴적 변화의 시발을 아스페가 만들었다고 판단되었기에 이번 2022년 노벨물리학상이 그에게 돌아갔다. ----------------------------- 논문 해설 벨의 부등식과 아인슈타인의 숨겨진 변수에 대한 반전 물리적 결정론의 근거인 “숨겨진 변수”의 존재에 대한 논쟁을 다룬 논문이다. 1935년 Physical Review 47호에 실린 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 논문 “물리적 실재에 대한 양자역학적 기술이 완전하다고 볼 수 있는가”에서 제기된 양자역학의 불완전한 기술방정식 주장에 대하여 같은 잡지, 같은 제목의 닐즈 보어의 반박 논문 사이의 논쟁 이후, 아인슈타인을 따르는 실재론 경향의 “숨겨진 변수”의 존재를 주장하는 측과 그 존재를 부정하는 주장 사이의 논쟁을 다룬 글이다. 폰노이만의 비분산자(dispersionsfree)의 상태를 부정하는 증명과 이를 보완하는 1963년의 Jauch와 Piron의 증명에 대하여 D. 보옴의 강한 존재증명의 대립은 물리세계의 실재성을 근원적으로 탐구하는 방법론적 모델이 된다. 양자론자는 어떤 물리계에 대한 예측을 원할 때 확률적 예측만을 기대한다. 일정 계를 설정하면 그 안에서 힐버트공간 안에서 파동함수라고 하는 초기 상태함수를 선택하게 되고, 이 파동함수는 그 계를 기술하는 것으로 본다. 이 계는 앙상블 E(ψ)의 형식을 취하며, 파동함수 ψ는 이 완전앙상블(entire ensemble)을 기술한다. 닐즈 보어(Niels Bohr)를 따르는 양자역학의 표준해석에 의하면 실재를 기술한다고 하는 두 물리량을 동시에 정확히 측정할 수 없으며 단지 관찰자가 측정을 원하는 측면만이 선택된다고 한다. 여기서 측정행위는 곧 관찰자의 비가역적 선택이 되고 만다. 양자론에 대한 인식론적 해석의 핵심은 측정 과정에서 나타나는 선택이며 이것을 파동함수의 감축(Reduktion;붕괴)이라고 한다. 즉 측정은 전형적인 비가역성이다.  여기서 위상공간으로 설정된 여건설정공간(Konfigurationsraum)위에 놓여있는 확률파의 파동함수는 개별 입자의 상태를 기존의 뉴턴언어를 통해서 실제적으로 완전하게 기술할 수 있는지에 대해서 회의적이었다. 이 문제는 곧 미시의 양자 상태를 기술하는데 있어서 기존의 결정론적 방정식이 불가능하며, 동시에 그 대상계인 양자 상태 또한 결정론적 구조가 될 수 없다는 점을 직접적으로 시사한다. 이와같이 양자상태에 대한 실재론 논쟁을 결정론과 비결정론의 논쟁방식으로 바꾸어 논의할 수 있다. 그리고 이로부터 가능한 의미론적 테제를 찾아볼 수 있다. 물론 역학에서 결정론이라는 말을 자주 사용하고 있기는 하지만 그 내용은 철학적 결정론의 범주와 다르며 실제로는 인과성의 가능성에 관한 내용임을 주지해야 한다. 이후 양자역학과 상대성이론은 자연을 보는 관점에 있어서 서로 대립된 상황으로 전개되었다. 상대성이론의 결정론적 실재론은 우연현상처럼 보이는 것도 결국에 가서는 필연성으로 설명될 수 있고 또 설명되어야 한다는 입장을 고수한다.[] 물리학적 이론의 필요조건 1)실험적 사실과 일치 2)논리적으로 일관성이 있어야 하고 3)다른 설명과 단순하게 비교되어야 한다. 참조: Belinfante, A Survey of Hidden Variables Theories, p.38 그러한 입장을 뒷받침하는 것이 ‘숨겨진 변수이론’(Hidden Variables Theory)이론이다. 즉 우연처럼 보이는 현상 배후에 우리가 아직 알 수 없었던 결정론적 인과관계를 주는 어떤 변수가 숨겨져 있다는 주장이다. 우연과 필연의 문제는 그 변수를 찾아냈느냐 아니면 아직 찾아 내지 못 했는가의 문제일 뿐이라는 것이다. 숨겨진 변수이론이 정형화 된 것은 아인슈타인이 죽기 3년 전인 1952년 데이빗드 보옴의 논문을 통해서였지만 아인슈타인의 기본 사유구조와 일치한다. 1926년 이후 양자론자와 상대론자와의 대립논쟁이 계속되어 왔지만 상대론자 일반이 주장하는 숨겨진 변수는 물론 아직 발견되지 않았다. 그리고 양자역학의 비국소적 해석의 기술방식이 더 타당성 있는 것으로 실험증명 되었지만, [] Jongduck Choi, Die Moeglichkeit einer ontologischen Deutung der Quantenmechanik, (Giessen,1993), p.85 우연적 운동으로 보이는 자연 속에 숨겨진 질서가 내재되어 있을 것이라는 생각은 여전히 자연과학자의 마음속에 가장 크게 자리잡고 있는 것이 사실이다. 그러면 결정론을 가능케 하는 숨겨진 변수의 존재 가능성에 대한 실제의 실혐결과를 다룬 것은 이 논문의 주요한 논점이다. 쉽게 말해서 가상실험(Gedanken Experoment)아인슈타인의 숨겨진 변수 이론이 옳은지 아니면 닐즈보어의 얽힘 이론이 옳은지에 관하여 1970년대부터 실질적인 실험이 가능해졌는데, 여러 물리학자들에 의해 수행된 실험결과들을 하나의 표로 만들었다.  아인슈타인닐즈보어 논쟁, EPR해석에 대한 70년대 이후 실험결과들: 제 논문 85쪽 표에서 "Ja"는 닐즈보어의 양자해석을 입증한 실험결과들이며, "Nein"은 아인슈타인의 숨겨진변수이론을 입증한 실험들이다. 그런데 숨겨진변수이론을 입증했다고 한 실험들도 실제로는 실험장비의 오류로 인한 결과로 나중에 밝혀졌다. 결국 양자론의 얽힘 관련 해석이 옳은 것으로 판명났다. 이 결과들을 보면 1980년대 들어 더 이상이 확증실험이 필요 없을 정도로 닐즈보어의 양자해석이 옳은 것으로 판명된다. 그 실험 중에서 가장 강력한 증거는 이번에 노벨물리학상(2022년)을 받은 아스페(Allen Aspect, 1947년생)의 실험이다. 3번에 걸친 실험으로 양자얽힘이 이론만이 아니라 현실조건에서도 가능하다는 것을 보여주었다. 이로써 아인슈타인의 숨겨진 변수이론을 더 이상 양자함수의 실재성을 부정하는 근거로 세울 수 없게 되었다. 물론 그럼에도 불구하고 여전히 대부분의 물리학자들은 양자파동함수의 실재성을 보장하는 숨겨진변수이론을 여전히 믿고 있다. 이에 대한 설문조사 결과가 아주 흥미롭다. 1985년 아인슈타인과 닐즈보어의 논쟁을 다룬 논문 EPR 논문(1935년) 50주년 기념 학술대회에서 시행한 설문결과는 아스페의 결정적인 실험에도 불구하고 여전히 아인슈타인의 고전적인 실재론을 믿고 있음을 알 수 있다. - 1985년 이탈리아 Urbino에서 열린 EPR 논문에 대한 50주년 기념 세계학술대회에서 참석 물리학자를 대상으로 한 설문지 결과에 의하면 아주 흥미로운 사실을 접하게 된다. 그 질문지의 부분을 인용한다. W.Duch/D.Aerts, "Mikrophysical reality", Physical Today 1986June, pp13-15 질문5: 지금까지의 고전역학의 의미해석과 같이양자역학의 해석이 확고히 정립될 있다고 믿습니까? 예(71%) 아니오(18%) 미정(11%) 질문6: 당신은 실재론자입니까? 예(86%) 아니오(2%) 미정(12%) 이 설문결과에서 우리는 매우 모순적인 과학자의 마음을 읽을 수 있다. 질문5와 질문6은 상반된 답변이 도출되어야 함에도 불구하고 실제로는 거의 같은 비율의 답이 나왔다. 결국 양자역학을 믿기는 하지만 여전히 고전과학적인 실재론(Realism)의 탐구정신을 갖고 있는 것이 과학자의 마음이라는 것을 이 설문결과에서 볼 수 있다. 예로 든 이 설문결과는 숨겨진 변수의 존재가 바로 실재론의 핵심이며, 결정론을 보장하는 물리적 변수라는 것을 논리적인 방식이 아닌 정서적인 설문지 형식을 빌어 보이고자 한 것이다. 지금까지의 숨겨진 변수 논쟁의 얽힘은 바로 원자론적인 실체주의 즉 자연탐구의 대상이 사과와 돌 그리고 분자단위처럼 경험적인 차원의 실재성을 전제로 놓았기 때문이라는 것이 필자의 주장이다. 이미 현대물리학은 양자색역학으로 까지 나아가 상황이므로, 그것이 비록 그 수학적 토대를 구비하지 못 했다하여도 고전적 의미의 실재론의 전제는 버려야 한다. 다시 말해서 숨겨진 변수를 인정하지만 그 변수가 라그랑지안의 유일값을 반드시 산출해야 한다는 컴플렉스에서 벗어날 수 있다면, 이외로 아주 쉽게 숨겨진 변수의 논쟁은 해소 여기서 “해소”란 solving이 아니라 dissolving을 지시한다. (실재론을 믿지 않으면 더 이상 자연관찰을 할 수 없기 때문이다.) 이에 대한 철학적 이해가 필요하다. *** 광자를 활용하여 EPR 사고실험을 실제 실험(1982년)으로 증명함. 1. 광자배출(칼슘원자 빔 사용) - 빔 광원소스와 검측기 사이 거리는 6.5m 였다. 즉 얽힘 상태의 광자쌍 , 에너지 보존되는 광자쌍을 검측하는 검측기 사이 거리는 13m 였다. 2. 이중 채널(편광이 다른 입자를 검측할 수 있게 했다) 3. 벨 부등식을 확인 한 실험이기도 한다. 4. (30년 후) 양자통신의 이론적 실험적 가능성을 열어 주었다. 5. 당시(1980년대) 비국소성을 보여주는 양자역학의 파동방정식인지 아니면 국소적 실재론이어야 하는지에 대한 논쟁에서 비국성의 사실을 보여준showed 실험으로 그 유의미성이 높다. |
| 독일 Giessen대학 학위논문 |