애런 오커넬: 눈에 보이는 양자 물체 이해하기

이것은 여러분의 뇌를 표현한 그림입니다 뇌는 두 부분으로 나눌 수 있죠 왼쪽 뇌는 논리를 담당하구요 그리고 오른쪽 뇌는 직관을 담당하죠 양쪽 뇌의 능력을 측정하는 눈금자 같은 게 있다면 뇌를 그래프로 나타낼 수 있을 겁니다 예를 들면 이건 완전 논리적인 사람의 뇌일테구요 이건 완전히 직관적인 사람일 겁니다 당신의 뇌는 이 눈금의 어디쯤에 해당할까요? 몇몇은 두가지 끝 중 한쪽에 있으려는 사람도 있겠지요 하지만 여기 청중의 대부분의 뇌는 아마 이것과 비슷할 겁니다 양쪽 뇌에 우수한 능력이 동시에 존재하는 것이죠 양쪽이 상호 배타적이거나 그런 게 아니라 논리적이면서도 직관적일 수도 있는 것입니다

그래서 저도 이런 부류 중 한 명이라고 생각합니다 실험 양자 물리학자 대부분이 그렇듯이요 복잡한 생각들을 잘 엮기 위해서 논리적인 부분이 많이 필요하면서도 그 동시에, 직관도 많이 필요로 하죠 실제 실험도 잘 해내려면요 이런 직관은 어떻게 생길까요? 음, 우선 이것저것 가지고 놀지요 밖에 나가서 가지고 놀면서 그게 어떻게 작용하는지 보고 거기에서부터 직관이 생겨나는 거죠 그리고 여러분도 사실 그렇게 합니다

한가지 여러분이 익혀 오신 직관 중 하나는 한 물체는 어떤 시점에 오직 한 곳에만 존재한다는 것입니다 다시 말해 한 물체가 동시에 다른 두 곳에 존재할 수도 있다는 말은 굉장히 이상하게 들린다는 겁니다 하지만 이런 직관은 태어날 때부터 있는 것이 아닙니다. 살면서 가지게 되는 거죠. 어떤 애가 주차지지대 위에서 노는 걸 본적이 있는데요 두살 정도 꼬마였어요 그래서 잘 못하고 계속 넘어졌죠 그런데 아마 거기서 놀면서 아주 중요한 것을 배웠을 겁니다 큰 물체를 통과해서 지나갈 수는 없고 큰 물체는 한 곳에 가만히 있다는 것을요

그래서 이런 게 세상을 이해하는 중대한 관념적 모델입니다 여러분이 입자물리학자가 아닌 이상 말입니다 그런 모델은 사실 입자물리학자가 이용하기엔 어렵습니다 왜냐면 입자물리학자는 주차지지대 같은 것 말고 이상한 성질을 가진 작은 입자들을 가지고 놀거든요 그런 입자들을 가지고 놀다 보면 정말 희한한 일들을 많이 관찰합니다 입자들이 벽을 뚫고 가기도 하고 다른 두 곳에서 동시에 발견되기도 하죠 그래서 이런 관찰 결과들을 모두 기록하고는 그것들 두고 양자역학 이론이라고 했습니다

그게 몇년전의 물리학의 위치였습니다 아주 작은 입자들을 설명하려면 양자역학이 필요했죠 그런데 우리 주변의 큰 물체들을 설명하려면 양자역학이 필요 없었어요 이런 게 제 직관과는 너무 맞지 않았습니다 제가 입자들에 대한 경험이 부족해서일 수도 있겠죠 음, 저도 입자들을 가지고 놀긴 합니다만 자주는 아니예요 그리고 실제로 본적도 없어요 사실 아무도 실제로 본 사람은 없죠 그런데 직관 뿐 아니라 제 논리와도 맞지 않았어요 왜냐면 모든게 작은 입자로 구성되어 있고 그리고 그 입자들이 양자역학을 따른다면 모든 물체들도 양자역학을 따라야 하지 않을까요? 저는 그러지 않을 이유가 없다고 봅니다 그리고 만약 일상의 물체들도 역시 양자역학을 따른다는 것을 증명하는 방법이 있다면 그 모든 것이 훨씬 잘 들어 맞을 것입니다 그래서 제가 몇년전에 바로 그걸 해보려고

장치 하나를 만들었습니다 이건 세계 최초로 기계적인 양자 중첩 상태에 있는 것으로 관찰된 물체입니다 여기 보이는 것은 아주 작은 컴퓨터 칩입니다 가운데에 보시면 녹색 점이 보이시죠 그게 바로 제가 곧 설명드릴 금속 조각입니다 이게 그 물체의 사진입니다 조금 확대해 보면, 여기 가운데에 보입니다 그리고 이건 그 금속 조각을 정말 크게 클로즈업한 사진입니다 그러니까 이건 작은 금속 조각인데요 다이빙대처럼 생겼구요, 절벽에서 삐져나와 있지요 이것도 컴퓨터 칩을 만드는 것과 거의 똑같은 방법으로 만들었습니다 새 실리콘 웨이퍼를 들고 클린룸에 들어가서 커다란 기계들을 100시간 정도 동안 돌립니다 그리고 마지막으로 제가 직접 만든 기계로 여기 이 수영장 같은 모양의 홈을 팠습니다 이 장치 아래에요 이 장치는 양자 중첩 상태에 있을 수 있는 능력이 있습니다 그런데 그러기 위해 약간의 도움이 필요합니다

자, 비유를 하나 해드릴게요 꽉찬 엘리베이터 안에 있으면 얼마나 답답한지 아시죠? 그러니까, 저는 엘리베이터에 혼자 있으면 온갖 이상한 짓을 다 하는데 그러다가 다른 사람이 타면 하던 걸 멈추죠 그 사람들을 방해하고 싶지 않거든요 솔직히는, 겁 먹으실 까 봐서 이기도 하구요 양자 역학에 따르면 생명이 없는 물체도 꼭 그렇게 느낀다는 겁니다 그런 물체에겐 엘리베이터에서의 동승객이 사람 뿐 만은 아니구요 비춰지는 불빛도 있고 바람도 있고 그 안의 열기도 있지요 그래서 이 금속조각의 양자역학 상태를 보기 위해서는 다른 승객을 모두 쫓아 내야 한다는 걸 저희는 알고 있었습니다

그래서 그렇게 했지요 불도 껐고 진공 상태에 넣어서 모든 공기도 없앴고 온도도 절대온도 0도에 영점몇도까지 가까이 낮추었습니다 이제 그 엘리베이터 안에 혼자 있으니 그 작은 금속조각이 하고 싶은대로 할 수 있죠 저희는 그 움직임을 측정했는데 정말 기이하게 움직이는 걸 관찰했습니다 가만히 있지 않고 진동했는데 진동은 꼭 숨쉬는 것처럼 했어요 이렇게 팽창했다 수축했다 하면서요 그리고 그걸 살짝 건드려줌으로써 진동하는 상태와 멈추어 있는 상태가 동시에 존재하도록 할 수 있었습니다 그건 양자 역학에서만 허용되는 상태입니다

그래서 저는 정말 멋진 걸 말씀드릴려고 하는데요 어떤 물체가 동시에 진동하기도 하고 멈추어 있기도 한다는 건 무얼 뜻할까요? 자, 우선 원자들을 생각해 보죠 한 상태에서는 저 금속 조각을 구성하는 엄청나게 많은 원자들이 가만히 있습니다 그리고 그 동시에 그 똑같은 원자들이 위 아래로 움직이기도 합니다 시간이 딱 들어 맞을 때에만 동시에 정렬을 하고 그 외 대부분은 모두 따로 움직입니다 그말은, 모든 원자가 다른 두 곳에 동시에 존재한다는 것이고 다시 말해 그 전체 금속 조각이 다른 두 곳에 존재한다는 것이죠 전 이게 정말 멋지다고 보는데요 (웃음) 정말이요

(박수)

몇년 동안 클린룸에 쳐박혀 있은 보람이 있었지요 왜냐하면, 보세요 원자 하나와 저 금속 조각의 크기 비율이 그 금속 조각 크기와 여러분 크기와의 비율과 거의 일치합니다 따라서, 한 원자가 다른 두 곳에 동시에 있을 수 있으면 저 금속 조각도 다른 두 곳에 있을 수 있는데 그러면 여러분은 왜 안되겠어요? 제말은, 단순히 논리적으로만 생각해봐도 말이죠 여러분이 여러 곳에 동시에 있다고 생각해 보세요 그건 느낌이 어떨까요? 여러분의 신체가 공간 상에 흩어져 있는 것을 여러분의 의식은 어떻게 받아들일까요?

한가지 덧붙일 것이 있습니다 저희가 다시 온도를 높이고 빛을 쪼이고 그 상자 안을 보았을 때 그 금속 조각이 여전히 하나의 물체로 가만히 있는 것을 보았습니다 그래서 저는 이 새로운 직관을 갖게 되었는데요 엘리베이터 안의 모든 물체는 하나의 작은 공간에 밀어넣어진 것 뿐, 모두 양자역학적 물체라는 것입니다

양자 역학에서, 모든 것이 서로 연결되어 있다고 말하는 것을 많이 들으실 겁니다 글쎄요, 아주 옳은 말은 아닙니다 사실 그보다 더합니다. 더 깊죠. 그 연결 고리들이 여러분과 여러분 주위 모든 것들과의 연결 고리들이 여러분을 말그대로 '정의'해 주는 것입니다 바로 그것이 양자역학이 갖는, 심오하면서도 기묘한 특성입니다

감사합니다

(박수)