양자역학에서 다세계 해석을 증명할 방법이 없는 이유

- Advertisement -
양자역학의 시작

1900년대 초 아인슈타인이 대 스타로 떠오르며 전 세계를 돌아다닐 무렵 한 무리의 과학자들은 실험실에서 우주의 엄청난 비밀을 알아냈습니다. 2개의 슬릿을 두고 전자를 쏘아본 것인데 전자는 공과 같은 입자니까 당연히 반대편 벽쪽에 슬림 모양대로 두 줄이 그려질 것이라고 생각했습니다. 그런데 실험 결과 슬릿을 통과한 전자들은 두 줄이 아닌 여러 줄을 그린 것입니다. 충격적이었습니다.

도대체 전자가 슬릿을 어떻게 지나가길래 두 줄이 아니라 여러 줄을 나타내는 것일까요? 이렇게 여러 줄을 그릴 수 있는 건 단 하나밖에 없었습니다. 입자가 아니라 파동이면 됩니다. 파동과 같이 움직이는 일을 두 슬릿으로 흘려보내면 이렇게 여러 줄의 무늬가 나타납니다. 그러니까 전자가 이런 무늬를 그려낼 수 있는 방법은 전자가 두 개의 실릿을 동시에 지나가면서 파동처럼 움직여야 이런 모습이 나타난다는 것입니다.

그래서 과학자들은 전자가 어떻게 슬릿을 통과하는지 관찰해보기로 했습니다. 그러자 놀랍게도 전자는 다시 두 줄이 되어 나타났습니다. 마치 자신들이 관측당하고 있다는 걸 아는 것처럼 말입니다. 이 세상을 이루는 입자들이 관측하기 전까지는 파동인데 관측하는 순간 파동이 아닌 입자로 나타난다는 것입니다. 이 미스테리를 두고 과학자들은 기나긴 공방전 끝에 덴마크의 코펜하겐 대학에 모여 합의를 봅니다. ‘원래 전자는 파동이지만 우리의 관측 행위가 파동을 붕괴시키면서 하나의 입자가 된다.’ 이것이 바로 코펜하겐 해석입니다. 그리고 우린 이 해석으로 양자역학을 배웁니다.

슈뢰딩거의 고양이

그러나 당연하게도 이를 마음에 들어 하지 않았던 과학자들은 이의를 제기했습니다. 에르빈 슈뢰딩거가 나타납니다. 슈뢰딩거는 그들의 비논리성을 보여주기 위해 하나의 사고 실험을 제안합니다. 어떤 상자 안에 고양이를 넣고 방사성 물질, 라듐과 독가스를 넣습니다. 그리고 검출기와 독가스를 연결해 라듐의 핵이 붕괴되면 검출기가 이를 감지하고 독가스를 터트려 고양이가 죽어버립니다. 1시간 안에 이 라듐의 핵이 붕괴할 가능성은 딱 50%입니다.

그런데 코펜하겐 해석에 따르면 라듐의 핵은, 붕괴한 핵과 붕괴하지 않은 핵 2개가 관측하기 전까지는 동시에 존재합니다. 다시 말해 상자 안엔 죽은 고양이와 살아있는 고양이가 동시에 존재한다는 것입니다. 그런데 우리가 그 상자를 열어 관측하는 순간 둘 중 하나는 사라지고 우린 하나의 고양이만 보게 됩니다. 인간이 관측하는 행위가 과학에서 무슨 의미가 있길래 파동이 붕괴하고 하나의 입자가 된다는 것일까요?

그렇게 수십 년간 미스터리로 남은 양자역학에 미국의 물리학자 휴 에버렛이 코펜하겐 해석을 들고 이렇게 말합니다. “흉물스러운 철학!” 에버렛은 그들이 파동을 마음대로 붕괴시켜 버리는 것이 불만이었습니다. 파동함수에서 파동이 붕괴한다는 공식은 어디에도 없었기 때문입니다. 그러니까 관측이라는 행위가 여기에 개입해서는 안 됩니다. 파동은 붕괴되지 않고 파동은 그대로 있습니다. 우리는 단지 그중 하나를 보는 것일 뿐입니다.

우주의 흔적, 전자

기원전 400년부터 1500년까지 거의 2000년간 지구를 고정시키고 하늘이 돈다고 믿었었던 이유는 우리의 관점에서 하늘을 보았기 때문입니다. 그러나 그 어디에도 지구가 고정되어 있어야 한다는 공식은 존재하지 않았습니다. 우리의 시선으로 바라봤기 때문에 발생한 착각이었습니다. 하늘이 아닌 지구가 돌고 있었습니다. 이와 마찬가지로 우리가 관측할 때 파동이었던 전자가 갑자기 입자가 되어 나타난 이유는 우리가 파동을 마법처럼 붕괴 시켰기 때문이 아닙니다. 파동이 붕괴되어 보이는 것은 우리의 관점에서 바라봤기 때문에 일어난 착각입니다.

그러니까 저 전자의 흔적은 동시에 존재하는 수많은 우주의 흔적입니다. 우리의 우주는 전자가 갈라지듯 계속해서 갈라지며 무한한 우주를 만드는 것입니다. 전자가 여러 곳에 동시에 존재하는데 우리가 관측했을 때 하나의 전자만 보인다면 그건 그 전자를 담고 있는 우주에 우리가 들어온 것입니다. 파동은 우리가 붕괴시킨 게 아닙니다. 어딘가에는 다른 전자를 관측한 과학자들이 있는 우주가 존재할 것입니다.

1950년대 에버렛이 이를 처음 주장했을 땐 아무도 그의 말을 진지하게 받아들이지 않았습니다. 왜냐하면 우리의 관점으로 봤을 땐 너무 말이 되지 않았습니다. 왜냐하면 우주가 계속해서 갈라지는 게 느껴지지 않기 때문입니다. 이를 두고 에버렛은 이렇게 말합니다. “당신이 서 있는 지구가 10만 킬로미터의 속도로 태양을 돌고 있는 게 느껴지는가?”

다세계 해석

지금은 양자역학에서 이 다세계 해석을 믿는 과학자들이 많아졌지만 여기엔 치명적인 결함이 있습니다. 이게 맞다는 걸 증명할 수 있는 방법이 없다는 것입니다. 무슨 수를 써도 우리는 우주가 계속 갈라지고 있다는 걸 느낄 수 없습니다. 그런데 이때 MIT의 물리학 교수 맥스 테그마크가 다른 사람은 설득할 수 없지만 자기 자신에게는 확신을 줄 수 있는 방법이 하나 있다고 말합니다.

바로 박스 안에 고양이 대신 자기 자신을 넣는 방법입니다. 왜냐하면 죽은 상태와 산 상태가 동시에 존재하는 느낌은 살아있을 때 느낄 수 있는 느낌이기 때문입니다. 죽은 상태는 우리가 느낄 수 없습니다. 총알이 랜덤으로 박혀있는 총을 준비해봅니다. 다세계 해석이 맞다면 총을 머리에 대고 쏘았을 땐 엄청나게 낮은 확률로 총알이 발사되지 않을 것입니다. 왜냐하면 총알이 발사되어 죽은 나는 느낄 수 없기 때문에 아주 낮은 확률로 운 좋게 살아있는 나만 느낄 수 있습니다. 수십 번 방아쇠를 당겼는데 당신이 운 좋게 살아있다면 이제 우주가 갈라지고 있다는 것을 확신할 수 있을 것입니다.

그런데 사실 이런 극단적인 방법을 사용하지 않아도 우리는 모두 언젠가 우주가 갈라지고 있는지 알게 될 것입니다. 사실 우리는 살아있음으로써 지금도 조금씩 이걸 증명하고 있습니다. 매일 우리는 죽을 확률을 피해 살아있음으로써 이를 증명하고 있는 셈입니다. 만약 우리가 지구에서 가장 나이 많은 사람이 되어도 죽지 않고 우리의 의식이 각자 계속 살아남는다면 우주의 종말까지 보게 될지도 모릅니다. 컴퓨터에 업로드하거나 인공지능을 이용하는 방법으로 우리의 의식이 계속 살아남을 수 있는 아주 낮은 확률이 있다면 가능할 수도 있지 않을까요?

지구에서 가장 나이가
많은 사람이 된다면
우주가 갈라지고 있다는 것을
확신할 수 있을 것이다.

- Advertisement -

More Popular Posts