양자물리학의 철학적 특별함 | 이상욱 HY 과학기술윤리법정책센터 센터장 | #양자역학 #과학 #고양이 | 세바시 1600회
고양이가 상자 안에 들어가 있는데 저 그림에서처럼
이 고양이가 어떤 상태에 있냐면 살아있는 상태하고 죽어 있는 상태의 중첩 상태 즉 걸쳐 있는 상태에 있다는 거예요.
죽어 있다 살아 있다라고 단정적으로 얘기할 수가 없는 거예요.
두 고양이가 서로 얽혀 있는 상태에 있다고 쳐죠. 고양이 b를 안드로메다로 보내요.
그다음에 고양이 a를 제가 관측을 했더니 고양이 b는 죽은 상태가 돼요.
그 순간, 이게 말이 된다고 생각하세요? 말이 잘 안 되죠. 근데 실제 이런 일들이 발생해요.
1. 양자 물리학의 특별함
- 고전 과학 이론(예: 뉴턴 역학)은 실제로 존재하는 속성(질량, 힘 등)을 토대로 예측·설명 능력을 가짐.
- 양자 물리학은 예측은 뛰어나지만, 개념들이 실제 존재와 어떻게 대응되는지 명확히 설명하기 어려움.
- 아인슈타인 등도 이 점에 불만을 가졌음.
2. 양자 물리학의 핵심 개념
- 중첩: 예시로 슈뢰딩거의 고양이(살아있음과 죽어있음의 중첩 상태).
고전적 확률(동전 앞/뒷면처럼 실은 하나로 정해졌으나 모를 뿐임)과 달리, 양자 확률은 존재론적 중첩(실제로 두 상태가 겹침). - 얽힘: 멀리 떨어진 두 입자(혹은 고양이)가 한쪽을 관측하면 다른 쪽이 즉시 결정되는 현상(실험적으로 검증됨).
- 아인슈타인은 이를 ‘괴기스러운 현상(Spooky action)’이라 부름.
3. 과학 이론의 해석과 발전
- 과거엔 “양자역학은 예측만 잘 하면 돼”라는 입장이 주류였으나, 최근엔 중첩, 얽힘 등 개념의 의미를 깊이 따지는 분위기로 변화.
- 아인슈타인은 ‘양자역학은 완전하지 않다’며 더 좋은 이론(히든 베리어블 가설 등)을 찾으려 했으나, 실험적으로 일부 한계가 밝혀짐.
4. 과학의 정신
- 최고의 이론이 나와도 거기에 멈추지 않고, 한계와 문제점을 계속 탐구해 더 나은 이론을 향해 나아가는 것이 과학 정신임.
- 양자 정보 물리학의 발전도 이러한 탐구정신의 산물임을 강조.
핵심 한 줄 요약:
양자 물리학은 예측 능력은 뛰어나지만 실제 세계와의 연결 고리가 불분명한 ‘특별한’ 이론으로, 과학의 본질은 멈추지 않는 한계 탐구와 더 나은 설명을 향한 끝없는 도전에 있다.
네 감사합니다.
과학 철학자 이상욱입니다.
제가 제목을 양자 물리학의 특별함 철학적 특별함이라고 다 말씀드렸지만
사실은 일반인들이 보기에는 철학적 안 붙여도 정말 특별해요. 굉장히 특별한데
뭐가 그렇게 특별하냐?
과학 이론이 무엇인가라는 우리의 생각에 기초해서 볼 사실은 양자 물리학이 굉장히 특별하다는 겁니다.
그 부분을 조금 자세히 설명드릴게요.
여러분들이 아마 전공하고 불문학의 다 이해하실 수 있는 과학 이론의 대표적인 거는 뉴턴 역학일 것 같아요.
힘 , 질량 , 가속도
그러니까 뭔가 어떤 질량을 가진 물체가 있으면 거기에 힘이 가해지면 그 힘에 의해서 가속도가 생기는데 그 규칙은 FM라는 뉴턴 법칙으로 주어지죠.
그러니까 이렇게 과학 이론이라는 거는 대부분 어떤 특정한 세상의 어떤 특정한 그 속성들이 존재하고 질량 아니면 힘 가속도 그 속성들 사이에 어떤 규칙성이 있고 그걸 법칙이라고 하죠.
그 규칙성에 의해서 이런 이런 상태로 준비가 된 물리계는 이런 결과를 볼 거다.
예를 들어서 제가 이 정도의 힘으로 물체를 밀면 그러면 그 물체가 이 정도 가속도를 가질 거다.
이런 예측력이 있는,
그리고 어떤 현상들이 벌어졌을 때 그 현상들을 설명할 수 있는
얘가 왜 가속도가 이만큼이야
그거는 이 물체의 질량이 이만큼이고 힘이 이만큼이어서 그런 가속도가 나왔다.
이렇게 설명과 예측을 하는 데 사용되는 개념의 틀, 이걸 과학 이론이라고 할 수 있어요.
그래서 뉴턴역학을 비롯해서 여러분들이 과학 이론이라고 생각하시는 걸 잘 생각해 보면 이 설명에 굉장히 잘 들어맞는다는 걸 알 수가 있습니다.
그런데 여기에 덧붙여서 우리가 사실은 추가적으로 암묵적으로 전재하는 게 있어요.
과학 이론의 특징 중에서 우리가 그렇게 설명이나 예측을 위해서 사용하는 개념들은 진짜로 존재한다는 거죠.
무슨 말이냐면 우리가 뉴턴역학에서 설명을 할 때 정말로 물체마다 질량이라는 걸 갖는다고 믿잖아요.
그리고 우리가 힘이라는 걸
정말로 실제로 존재하는 건 거기 가 하고 그리고 가속도라는 거를 이 물체가 정말 경험한다고 믿잖아요 그렇죠?
제가 미리 말씀드리지만 모든 과학 이론이 그렇지는 않습니다.
예를 들어서 물리학자들이 사용하는 과학 이론 중에서도 토이 모델, 장난감 모형이라는 게 있고 그다음에 현상론 피노밀러지라는 게 있는데
그건 뭐냐 하면 우리가 공부하려는 대상계가 너무나 복잡할 그 대상계 전체의 실제적인 속성들을 다 담아내서 물리학으로 이론화시키는 건 너무 어려워서
그럴 경우에는 그 핵심들을 뽑아서 이게 도대체 어떻게 돌아가는 건지 일부 측면들을 이해하기 위해서 실제하고는 맞지 않는,
그러니까 아무도 그렇게 생각 안 해요. 그 실제랑 정확히 맞는다고
그런데 그 원리들을 파악하기 위해서 장난감처럼 간단하게 만든 모형들
혹은 아예 그런 것도 포기하고 그냥 예측만 할 수 있게
그러니까 우리가 어떤 현상들을 관찰하면, 그 수치적으로 어떤 결과가 나오는지를 예측만 잘 할 수 있게 그렇게만 만든 모이론을 현상론이라고 합니다.
그런 이론들이 있어요.
실제로 사회과학에도 있고 뭐 생물과학에도 있고
그러니까 이론 자체가 정말로 세상에 존재한다고 가정하는 속성들을 사용해서 설명하느냐.
아니면 그 예측 결과만을 잘 맞추기 위해서 사용하느냐에 따라서 이론들이 과학 이론이 과학 철학적으로 이렇게 나누게 됩니다.
그런데 중요한 점은
적어도 우리가 근본 과학 이론이라고 생각하는, 베이식 혹은 펀드멘털 사이언티픽 스오리
그러니까 세상에 대해서 근본적인 이론이다. 근본 이론이다. 라고 얘기하는 과학 이론에 대해서는 우리는 단순히 그게 예측하고 설명만 잘 하는 게 아니라 실제 속성을 그대로 반영한다.
그러니까 우리가 과학 이론에서 가정하는 여러 개의 개념들이 실제 대응한다 이런 생각을 하는 게 당연하죠.
그리고 그 생각은 굉장히 오랫동안 유지되어 왔던 생각인데,
이게 이제 19세기 말 20세기 초에 양자 물리학으로 깨진 겁니다.
그래서 여러분들도 이름을 알 만한 상당히 유명한 물리학자들 뭐 아인슈타인이 대표적이지만,
막스 플랑크라는 정말 위대한 물리학자도
양자 물리학에 대해서 불만을 가졌던 이유가, 양자 물리학이 틀려서가 아니라, 양자 물약은 정확해요 .예측 능력은.
그런데 양자 물약이 사용하는 개념들이 실제하고 어떻게 대응되는지를 사실은 깔끔하게 설명하기 어렵기 때문에 굉장히 난처했던 겁니다.
자 그럼 그게 도대체 뭐가 문제인지 한번 살펴보겠습니다.
양자 물리학의 특징은 여러 개가 있는데 저는 그냥 시간 관계상 두 개만 들고 왔는데요.
첫 번째는 앞에서 많이 얘기가 나왔던 중첩이라는 겁니다.
중첩이라는 말은 이렇게 걸쳐 있다는 뜻이에요. 그런데 이걸 이해하기가 그렇게 간단하지가 않습니다.
제가 이제 슈레딩과 고양이 얘기를 들을 텐데 미리 말씀드리지만,
앞에서도 설명했지만 지금 고양이 수준의 그런 거시적 대상의를 중첩 상태에 놓는 기술은 없습니다.
그러니까 이건 정말 그냥 예예요. 정말로 이런 기계나 이런 장치가 있다고 생각하시면 절대로 말고요.
그러니까 고양이가 상자 안에 들어가 있는데요 저 그림에서처럼 이 고양이가 어떤 상태에 있냐면 살아 있는 상태하고 죽어 있는 상태의 중첩 상태 즉 걸쳐 있는 상태에 있다는 거예요.
그러면 걸쳐 있는 상태라는 게 무슨 뜻이냐면 이게 뚜껑을 열어서 이 고양이를 보게 되면 보게 되면 죽어 있거나 살아 있거나 둘 중에 하나이기는 한데 그걸 관측하기 전에는 죽어 있다 살아 있다라고 단정적으로 얘기할 수가 없는 거예요.
자 그런데 여기서 좀 조심할 게 있는데 단정적으로 얘기할 수 없다는 게 정확히 무슨 뜻인지를 이해하셔야 돼요.
예를 들어 볼게요. 제가 동전을 위로 던졌어요. 그래가지고 동전을 보지 않고 딱 잡아서 이렇게 보여주지 않고 가지고 있다고 쳐보죠.
그러면 저도 이게 앞면인지 뒷면인지는 모르죠
모르지만 여전히 여러분들은 어떻게 생각해요?
얘가 앞면 아니면 뒷면이라는 속성을 분명히 가지고 있을 거라고 생각하죠 확률을 2 분의 1씩 주잖아요.
이게 앞 면일 확률 2분의 1이고 뒷면일 확률 2분의 1이지만, 그렇지만 이런 확률은 고전적 확률이라고 그래요.
무슨 뜻이냐 하면 여러 개의 가능한 상태 중에서 사실은 그 대상계는 하나에 분명히 가 있는데,
우리가 무지하기 때문에 이그노런스 하다는 건데 무지하기 때문에 그 확률을 쓰는 거 그런 것들을 이제 고전적 확률이라고 하는데 불행히도 양자역학의 확률은 그런 확률이 아니에요.
그러니까 이해하기가 어렵죠.
그러니까 뭐냐 하면 정말로 대충 얘기해서, 왜냐하면 이 정확하게 얘기를 하는 법을 아무도 모르기 때문에
죽어있는 상태고 살아있는 상태에 걸쳐 있는 거예요.
그러면 아 그걸 어떻게 아느냐? 그 걸쳐 있는 것 때문에 생기는 효과가 있거든요 실험적으로 검증 가능한 그게 실험적으로 다 검증이 돼요.
그러니까 그런 인터피어런스라고 서로 간섭한다고 하는데
즉 고양이가 죽어 있는 상태하고 살아 있는 상태가 어느 한 쪽에 딱 들어 있는데
우리가 그 정보만을 모를 뿐이 아니라 진짜로 걸쳐 있어서 존재론적으로
그래서 그 결과가 실험적으로 검증이 되는 이런 난처한 상황이 되는 겁니다.
그러니까 결국은 우리가 양자 역학이 예측 능력이나 설명 능력에서는 너무나 탁월한데 실제로 양자 역학에 걸쳐 있음 이 상태가 우리가 어떻게 이해해야 되는지
물론 다양한 해석들이 있고 다양한 답들이 있지만
실제로 아주 모든 물리학자가 동의하는 완벽하게 만족스러운 답은 아직 찾지 못하고 있습니다.
두 번째는 좀 더 어려워지는데요. 그게 아까도 많이 나오는 얽힘과 관련된 거예요.
이 중첩 현상 즉 이렇게 걸쳐 있는 현상이 어떤 경우에도 지속이 될 수 있냐면 이 걸쳐 있는 이 상태의 부분들을 서로 따로 떼 가지고 아주 멀리 떨어뜨려도 유지가 될 수 있어요.
물론 되게 어려워요.
지금까지 실제로 한 거는 한 1m 몇 미터 수준에서 그거를 유지를 했어요.
그래도 대단하죠
근데 우리가 개념적으로는 양자 물리학의 개념을 볼 때는 이 얘가 서로 이렇게 얽혀 있었는데
서로 중첩의 상태에서 얽혀 있었는데
하나를 지구에 두고 하나를 안드로메다로 보낸 다음에 역시 고양이를 사용하겠지만 고양이는 절대로 불가능합니다.
미리 말씀드리면 근데
두 고양이가 서로 얽혀 있는 상태에 있다고 쳐죠. 어떻게 얽혀 있냐면 얘가 살아 있으면 얘는 죽어 있어요.
거꾸로 얘가 살아 있으면 얘가 죽어 있어요. 그럼 두 가지 가능성이 있죠.
고양이 a가 살아 있고 고양이 비가 죽어 있거나 고양이 a가 죽어 있고 고양이 비가 살아 있거나
이 두 상태의 중첩돼 있는 상태를 만들 수 있어요.
그러면 이게 서로 얽힌 거잖아요. 고양이 a 상태랑 비 상태가? 고양이 B를 안드로메다로 보내요.
그다음에 고양이 a를 제가 관측을 했더니 얘가 살아 있어요.
그럼 그 순간 안드로메다에 있는 비슷한 속도로 가도 한참 걸리는 고양이 비는 죽은 상태가 돼요.
그 순간, 그 전까지는 중첩에 있다가
이게 말이 된다고 생각하세요? 말이 잘 안 되죠.
근데 앞서 말씀드렸지만, 안드로메들데까지는 못 보내지만 1m 정도 떨어진 거리에서 실험을 하면 실제 이런 일들이 발생해요.
그러면 이게 도대체 어떻게 된 일인가 이해하기가 쉽지가 않아요.
특히 아인슈타인이 여기에 대해서 굉장히 불만을 가졌는데, 이걸 스푸키 액션이라고 했죠
굉장히 괴기스러운 상황이다.
왜냐하면 아인슈타인의 특수상대성 이론에 따르면 사실은 어떤 인과적 영향도 빛의 속도보다 더 빨리 갈 수 없거든요.
그런데 이거는 테크니컬하게는 인과적 영향이라고 보기 어려워요.
왜냐하면 제가 여기 있는 고양이 상태를 살펴보기 위해서 이렇게 뚜껑을 열었다고 해서
그 뚜껑 연 게 즉각적으로 뭔가 저기 안드로메다에 있는 고양이 위에 뚜껑을 연 거에 영향을 끼치지는 않거든요.
근데 그럼에도 불구하고 여기서 측정을 하면 그 측정 결과가 저쪽에 금방 영향을 끼치는 건 사실이니까
아인슈타인으로서는 이거는 설명하기가 어려운 굉장히 이상한 현상이다.
그러니까 양자 물리학은 불만족스러운 부분을 가지고 있는 이론이다.
이런 생각을 하게 됐던 겁니다.
자 그럼 이런 이 단계에서 보면 도대체 우리가 일종의 선택의 기로에 놓여 있는 것처럼 보여요. 이 단계까지만 보면
뭐냐하면 아 양자역학이 굉장히 예측도 잘하고 설명도 잘하지만 그렇지만 우리가 개념적으로 이해하기 되기 어려운 상태다.
그러면 어떻게 해야 되냐?
두 가지 기호가 있죠
한 가지 기호는 뭐냐 하면 아 그래 물리학 이론이라는 건 꼭 우리가 이해해야 될 필요 없어.
계산 잘해서 결과 나오면 되고 양자 역학이 되게 유용하니까 지금 상태로도 되게 좋아.
리처드 파이만이라는 물리학자가 사실 그런 태도를 취했는데, 어차피 양자 역학 제대로 이해하는 사람 아무도 없다.
그래도 아무 상관없다. 왜? 우리는 그걸 가지고 얼마든지 잘 쓰고 로켓도 만들고 다 여러 가지 걸 많이 할 수 있으니까
그런 태도를 취할 수도 있고 그런 태도가 사실은 제가 학교 다닐 때까지는 주류적인 태도였습니다.
제가 이제 학부 때 물리학과에서 양자 약학 수업을 들을 때 슈레딩과 고양이가 그래서 결국은 측정 전에 살아 있는 거예요 죽어 있는 거예요 이런 질문 드리면 교수님이 야단 치셨거든요.
그런 거는 철학과 가서나 물어보고 쓸데없이 그냥 계산이나 열심히 해. 그러니까 그런 분위기였어요. 실제로
그러니까 그런 어떤 개념적인 문제나 아니면 오늘 많이 얘기가 나온 중첩이라든가 얽힘이라든가 이런 것과 관련해서 뭔가 따져 들려고 하면 그러면 이제 그걸 좀 억누르는 분위기 였고 그게 바뀐 거죠. 되게 중요한 포인트인데요.
그리고 그 바뀐 덕분에 양자 정보 물리학이라는 분야가 지금 굉장히 융성하고 어 있는 거고
그런데 그런 태도 말고 아인슈타인이 취한 태도도 있을 수 있어요.
뭐냐 하면 양자 역학이 분명히 틀리진 않았다. 코렉터하다 분명히 예측 결과를 정확히 예측해 준다 그리고 설명해 준다.
그렇지만 양자 역학은 불완전하다. 우리가 만족스러운 인과적 설명을 못 하기 때문에,
도대체 이게 어떻게 돌아가서 여기서 한 측정이 얽혀 있는 다른 개의 부분에 영향을 끼치는지,
이런 부분들을 완전하게 설명을 못하기 때문에 우리가 더 좋은 물리학을 위해서 노력해야 된다.
더 좋은 물리학을 발견하려고 노력해야 된다. 그렇게 얘기를 했던 거죠.
아인슈타인이 제안한 방법은 히든 베리어블 세요리라고 해서,
뭔가 변수가 추가로 더 있어서 그 추가 변수가 이런 현상들을 설명해 줄 거라고 기대했고, 만약에 그런 숨은 변수가 있으면 벨 부등식에 만족이 돼야 되는데 그 벨 부등식을 위배하는 실험 현상이 나중에 나왔기 때문에, 적어도 아인슈타인이 기대했던 방식으로 현대 물리학이 좀 더 진보할 수 있는 방법은 막혀 있다 하는 것들이 지금까지 견해입니다.
그렇지만 어 그 방법이 유일한 건 아니거든요 사실은 아인슈타인이 미처 예상 못했던 다양한 방법들이 사실은 물리학자들에 의해서 시도가 되고 있고
적어도 그 중 어떤 방법이 맞는지와 무관하게 그런 연구를 했기 때문에 여러분들이 오늘 들으신 굉장히 훌륭한 양자 정보 물리학이라는 분야가 발전할 수 있었고 그런 것들을 의미 있다고 생각하고 추구했고 거기에 대해서 매진을 했기 때문에 이런 엄청난 결과들이 나올 수 있었습니다.
그래서 저는 마지막으로 어떤 말씀을 드리고 싶냐면
결국은 어 과학 이론이라는 것의 핵심은 어떤 멋진 결과를 만들어내고 그래 이게 다야 라고 멈추는 데 있는 것이 아니라
끊임없이 우리가 굉장히 훌륭한 이론을 얻었어.
그렇지만 이것의 한계는 뭘까 이것의 문제점은 뭘까 이게 아직까지 해명 못하는 건 뭘까?
이런 것들을 끊임없이 탐구해서 더 좋은 과학 이론으로 계속해서 나아가는 그런 어떤 과학 정신에 있다고 생각합니다.
그리고 제 생각에는 양자 정보 물리학이 이런 과학 정신을 잘 보여주는 이런 과학 정신이 얼마나 훌륭한 결과를 낼 수 있는지를 잘 보여주는 그런 훌륭한 사례라고 생각합니다.
네 감사합니다.
