공을 공중으로 똑바로 던진다고 생각해 보자.
공이 손에서 떠난 후, 공의 움직임을 예상할 수 있을까?
물론 그것은 쉽다.
공은 최고점에 도달할 때까지 올라가다가
다시 내려와 손에 떨어질 것이다.
물론 그런 일이 생기는 거고
이런 상황을 많이 겪어본 여러분은 이렇게 될 것을 안다.
여러분은 삶에서 일어나는 일상적인 물리 현상들을 관찰하고 있다.
하지만 수소 원자핵 주위에 있는 전자의 움직임 같은
원자 물리학 문제를
조사한다고 상상해보자.
실생활 물리를 경험한 것을 토대로 그 문제에 답할 수 있을까?
그렇지 않다. 왜일까?
시스템의 거동을 그렇게 작은 규모로 지배하는 물리학은
항상 여러분 주위에 있는 거시적 물체의 물리학과
매우 큰 차이가 있다.
여러분이 알고 사랑하는 일상 세계는
고전 역학의 법칙에 따라 움직인다.
그러나 원자 규모의 시스템은
양자역학의 법칙에 따라 움직인다.
이 양자 세계는 매우 이상한 곳이다.
이런 양자의 이상함은 유명한 사고실험으로 설명한다.
슈뢰딩거의 고양이
고양이를 특별히 좋아하지 않는 물리학자는 상자에 고양이를 넣고
뚜껑을 닫으면 50%의 확률로 터지는 폭탄을 함께 넣는다.
뚜껑을 다시 열 때까지 폭탄이 터졌는지 아닌지
알 수 있는 방법이 없고
따라서 고양이가 살았는지 죽었는지도 알 수 없다.
양자역학에서 관찰하기 전까지는
고양이가 중첩 상태에 있다고 말할 수 있다.
살았는지 죽었는지가 아니라 두 가지 가능성이 섞여서
각각 50%의 확률로 있다.
그런 종류의 것들은 수소 원자를 도는 전자처럼
양자 규모의 물리 시스템에서 발생한다.
전자는 실제로 전혀 돌지 않는다.
전자는 동시에 공간 어디에나 존재하고
어느 곳에 모여 있을 가능성이 많다.
그리고 그 위치를 측정한 뒤에야
그 순간 그것이 있는 곳을 정확히 찾을 수 있다.
우리가 상자를 열 때까지 고양이가 살았는지 죽었는지
모르는 것과 비슷하다.
이것은 '양자얽힘'이라는 이상하고 아름다운
현상을 가져다준다.
한 상자에 고양이 한 마리 대신 두 상자에 고양이 두 마리를 가정하라.
만약 슈뢰딩거의 고양이 실험을 이 두 마리에게 반복한다면
실험의 결과는 4가지 경우 중 하나일 것이다.
두 마리 모두 살았을 경우나 모두 죽었을 경우,
한 마리만 살고 다른 한 마리가 죽었을 경우 또는 그 반대.
두 고양이가 있는 시스템은 다시 중첩 상태에 있고
각 경우가 나올 확률은 50%가 아니라 25%이다.
그러나 여기 멋진 게 있다.
양자 역학은 중첩 상태에서
두 고양이가 살아 있거나 두 고양이가 죽은 결과를 없앨 수 있다.
달리 말하자면, 두 고양이 시스템이 있을 수 있고
그 결과는 항상 하나는 살고 다른 하나는 죽는다는 것이다.
이것을 위한 기술적 서술은 고양이의 상태가 얽힌 것이다.
그러나 양자 얽힘에 대한 진정 놀라운 사실이 있다.
이 얽힘 상태에서 상자에 고양이 두 마리를 넣고
우주의 양쪽 끝에 상자를 옮긴다면
그 결과는 언제나 같을 것이다.
한 마리는 항상 살아있고 다른 고양이는 항상 죽는다는 것이다.
우리가 결과를 측정하기 전에 어느 고양이가 살았는지 죽었는지
완벽하게 결정되지 않더라도 말이다.
어떻게 이것이 가능할까?
어떻게 이런 우주의 양쪽 끝에 있는 고양이 상태가
이렇게 얽힘 상태를 만들 수 있을까?
그들이 서로 의사소통하기에는 너무 먼데
두 개의 폭탄이 항상 하나는 터지고 하나는 안 터지는
그런 소통을 어떻게 할까?
여러분은 생각할지도 모른다.
"이것은 단지 마술 같은 이론이다.
이것은 진짜 세계에서 발생할 수 없다."
그러나 양자얽힘은
실제 실험에서 확인되었다.
두 아원자 입자들은 중첩상태에서 서로 얽히고
거기서 한 개가 한 방향으로 회전하면
다른 하나는 다른 방향으로 회전해야 한다.
얽힘의 법칙을 따르기 위해 어느 방향으로 돌아야 한다는
정보의 소통이 한 입자에서 다른 입자로 가지 않는데도.
거시적 세계에서 이상한 양자 세계의 법칙을 사용하는 방법을
연구하는 분야인
'양자 정보 과학'의 중심에 그런 얽힘이 있는 것은
놀라운 일이 아니다.
이것을 이용해 양자 암호화에서처럼 간첩들은 서로 비밀 메세지를 보낼 수 있고
또는 양자 컴퓨팅에서 암호를 해독할 수 있다.
일상의 물리학이 이상한 양자 세계처럼 보일 지도 모른다.
양자 원거리 이동은 지금까지 발전되고 있고
언젠가 여러분의 고양이는 안전한 은하로 탈출할 것이고
거기서는 물리학자도 상자도 없다.