실재란 무엇인가?(3)

 실재란 무엇인가? 3편으로 돌아왔습니다. 3편은 2부 7장부터 시작하는데요, 아직 2편과 1편을 안 보고 오신 분들께서는 먼저 읽어보시는 것을 추천드립니다. 그러면 양자물리학의 암흑기가 어떤 식으로 해결될지 만나보러 가보겠습니다.

 

실재란 무엇인가?

 

 이번 7장의 주인공은 '존 스튜어트 벨'입니다. 벨은 퀸즈 대학교 물리학과에 재학하면서 코펜하겐 해석을 접했습니다.  이전에 '데이비드 봄'과 '휴 에버렛 3세'처럼 코펜하겐 해석의 잘못된 점을 찾아 나서기 시작했습니다. 벨은 코펜하겐 해석은 양자 세계와 고전 세계를 구분하는 경계를 명확하게 하지 못했다는 점에 주목하였습니다. 벨은 양자 세계와 고전 세계에서 서로 영향을 주는 '숨은 변수'의 존재를 찾아보았습니다. 증명을 전개할 때 의도하지 않았거나 충분히 이해하지 못해 생긴 숨은 변수를 '맥락성'이라 불렀습니다. '맥락성'이란 양자계에서 어떤 측정을 하면 동일한 계에서 동시에 측정되는 다른 요인에 따라 측정 결과가 달라진다는 것인데, 벨은 이 '맥락성'을 룰렛을 이용하여 설명하였습니다.

 

룰렛 이론(출처: 실재란 무엇인가?)

 

 완벽한 룰렛 원반이 있습니다. 숫자들은 1부터 36까지 존재하고, 대소, 검빨, 홀짝으로 고르게 나누어져있습니다. 원반이 회전하고 공이 떨어지면, 우리가 확인하지 않아도 공은 특정 숫자 위에 존재하게 됩니다. 만약 우리가 공이 빨간색 칸 위에 있는지를 물어보게 된다면, 필연적으로 이 질문은 대소와 홀짝과 관련된 정보를 얻는데 관여하게 됩니다. 즉 하나의 상태를 알게 되었을 때 다른 성질에도 영향을 끼치게 되므로, 양자 세계의 물질을 관측하게 되면 관측에 의해 다른 정보에 영향을 미친다는 이론을 설명하였습니다. 자연이 서로에게 영향을 주듯이 양자 세계에서도 서로가 관계되어있음을 증명한 벨의 정리는 "과학에서 가장 심오한 발견"으로 일컬어지게 됩니다.

 

 

 3장에서는 코펜하겐 해석과 벨의 정리를 기반으로 양자물리학의 본질을 파악해가는 내용을 다루고있습니다. 코펜하겐 해석 오류를 분석하고 사고 실험을 통해 간단히 정리한 벨의 정리는 매사추세츠 공과대학에서 연구 중이던 파인만 교수에게도 알려졌습니다. 파인만은 '컴퓨터 계산의 물리학'이라는 연설을 하면서 벨의 정리를 설명했습니다. 그는 

 

 "물리학을 범용 컴퓨터로 시뮬레이션 하는 게 가능할까요? 그 물리적 세계가 양자역학적이므로, 마땅히 다루어야 할 문제는 양자물리학의 시뮬레이션입니다. 이것이 제가 정말로 이야기하고 싶은 바입니다. 새로운 종류의 컴퓨터, 다시 말해 양자컴퓨터로 그렇게 할 수 있을까요? 확신할 수는 없습니다. 그렇기에 논의를 열어 두겠습니다."

 

 라며 일상 조건에서 작동하는 평범한 컴퓨터로는 부족하고, 새로운 방식의 컴퓨터가 생겨야 양자물리학의 본질을 알 수 있을거라고 주장했다. 이후 데이비드 도이치라는 물리학자가 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 효율적으로 연산이 가능함을 증명했고, 피터 쇼어라는 수학자가 양자 컴퓨터를 이용하여 빠르게 소인수분해를 수행하는 양자 알고리즘을 고안하여 양자 컴퓨터가 활용되는 세상에서는 큰 수의 소인수분해를 하는 암호화 유형은 취약해지리라는 사실을 보여주었습니다. 이후 양자물리학을 기반으로 한 양자정보이론과 양자 암호학의 필요성이 나타나기 시작했고, 각 정부가 양자정보 분야에 큰 투자를 하면서 본격적으로 연구되기 시작하였습니다.

 

 

 여기까지가 3장까지의 내용이였습니다. 3장에서는 양자 컴퓨터의 시작 외에도 양자물리학을 기반으로 한 다세계 우주 분석과 같은 내용도 있으나, 어렵기도 하고 이해하기도 어려워 다루지 못했습니다. 혹시나 나는 이 뒷부분에 있는 다세계 우주 분석과 멀티버스 이론에 대해서 꼭 알아야겠다 하시는 분들은 '실재란 무엇인가?'를 한 번 읽어보시는 것을 추천드립니다.

 

 양자물리학은 물리학의 기반부터 뒤흔드는 새롭고도 놀라운 이론이지만, 그만큼 풀리지 않는 수많은 문제를 남기고 있습니다. 세상을 뒤흔들 혁신이라, 완벽하다고 생각했던 코펜하겐 해석부터 오류를 찾아 증명하는 과정에서 등장한 수많은 물리학자들, 그리고 점차 진리를 알아가며 활용 분야를 찾아 연구하는 양자 컴퓨터까지 앞으로도 수많은 문제를 해결하기 위해서 연구해 나아갈 것입니다. 여기까지 '실재란 무엇인가?'였습니다. 재밌거나 유익하셨다면 공감이나 댓글 한 번씩 부탁드립니다. 감사합니다.

 

 

https://computerstudying.tistory.com/11

실재란 무엇인가?(1)

 

https://computerstudying.tistory.com/12

실재란 무엇인가?(2)

 

 

 

 

참고

애덤 베커, 실재란 무엇인가?(승산)