우주는 양자 비국소성으로 연결된 하나의 세계

우주가 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 신비롭고 서로 깊이 연결되어 있다. 폴란드 과학자들이 최근 발표한 연구에 따르면, 같은 종류의 입자들, 예를 들어 지구에 있는 광자와 가장 먼 은하에 있는 광자가 서로 얽혀 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 현상은 공상과학이 아니라 양자역학의 근본 원리에서 비롯된 실제 현상이다.

일상에서 멀리 떨어진 물체들은 서로 독립적으로 행동한다. 한국에서 일어난 일이 순식간에 미국 어떤 물체에 직접 영향을 미칠 수는 없다. 공간적으로 멀리 떨어진 두 물체가 서로 즉각적인 영향을 줄 수 없다는 상식적인 개념을 ‘국소성의 원리’라 부른다. 그런데 양자 비국소성은 관찰된 통계를 국소적 숨은 변수 모델로 설명할 수 없음을 의미하며, 양자 세계는 이 상식을 완전히 뒤엎는다.

1935년 아인슈타인과 동료들은 이 기묘한 현상을 지적하며 양자역학이 불완전하다고 주장했다. 지구에서 측정을 했느냐 안 했느냐가 안드로메다은하에 있는 전자의 상태를 순식간에 바꿔주는 것이 말이 되느냐는 것이 유명한 EPR 역설이다. 하지만 이후 수십 년간의 실험은 아인슈타인의 직관이 틀렸음을 보여줬다. 벨의 부등식과 실험적 확인을 통해 양자역학이 타당하며, 비국소성을 인정하지 않을 수 없게 됐다.

폴란드 핵물리학연구소와 이론응용정보학연구소의 과학자들이 이 비국소성이 입자의 정체성, 즉 같은 종류의 입자는 본질적으로 구별할 수 없다는 사실에서 비롯된다는 것을 증명했다. 일반적으로 얽힘 실험은 입자들을 인위적으로 상호작용시켜 얽힌 상태를 만들어내지만, 이 연구는 한 번도 만난 적 없는 입자들 사이에서도 비국소성이 나타날 수 있는지를 탐구했다.

연구팀은 거울, 빔 분할기, 입자 검출기만을 사용한 단순 광학 시스템을 설계해 입자들이 서로 만나지 않는 상황을 만들었다. 이 조건에서도 벨의 부등식이 위반된다면, 관찰된 비국소성은 실험 과정의 부산물이 아니라 입자의 본질에서 비롯된 것이다.

결과는 놀라웠다. 고정된 수의 동일 입자를 포함하는 거의 모든 양자 상태가 비국소적 자원으로 판명됐다. 특히 모든 페르미온 상태와 거의 모든 보손 상태가 포함되며, 단일 모드로 환원 가능한 좁은 예외를 제외했다. 중요한 점은 이 증명이 완전한 구성적 설계를 포함해, 비국소성을 드러내는 광학 실험을 단계별로 설계하는 방법까지 제시한다는 것이다.

우주에 존재하는 모든 만물은 한 점에서 태어났기 때문에, 우주의 근원까지 거슬러 올라가면 모든 만물이 양자적으로 얽혀 있다는 양자론적 주장이 설득력을 얻는다. 이번 연구는 비국소성이 우주 자체의 구조에 깊이 자리할 가능성을 보여주고, 그 기반에 입자들이 동일하다는 단순한 가정이 있다.

1973년 중력 이론의 고전적 교과서 저자들은 같은 종류 입자의 놀라운 동일성에 대해 아직 만족할 만한 해명이 없으며, 이는 물리학의 핵심 수수께끼라고 언급했었다. 이 오래된 수수께끼는 앞으로도 수십 년간 연구자들에게 큰 영감을 줄 것으로 예상된다.