시간 (feat. 상대성 이론 vs 양자역학)

(펌글) 양자 얽힘이란 말 그대로 서로 얽혀 있는 양자 끼리 발생하는 현상입니다. 양자 얽힘의 핵심 키워드는 중첩과 동시성입니다. 서로 얽혀 있는 양자 끼리 발생하는 현상입니다. 양자 얽힘의 핵심 키워드는 중첩과 동시성입니다. a와 b는 0과 1의 상태를 가지는 양자 입니다. 만약 a가 1이면 b는 0이되며, b가 1이면 a는 0이 되는 관계로 설정해 놓았다고 가정해 봅시다. 이 두개의 양자를 얽히게 만든 뒤 멀리 떨어트려 놓겠습니다. 이때 a와 b 둘 중 하나를 관찰하여 0인지 1인지를 확인하게 되면 그 순간 나머지 하나의 양자 또한 0인지 1인지 결정이 됩니다. a가 1이라면 b는 0일 것이며, b가 1이라면 a는 0일 것입니다. 고전 역학적 상식으로 보면 a가 0인지 1인지 우리가 알지 못하고 있을 뿐이지 이미 정해져 있을 것이고, 우리가 관찰을 통해 a가 0인지 1인지 확인하면 b또한 0인지 1인지 유추 가능한 것처럼 보입니다. 하지만 양자역학은 그렇게 보지 않습니다. 양자역학에 의하면 a와 b는 0과 1의 상태를 모두 가지는 중첩상태로 존재하게 됩니다. 즉 관찰 전에 a는 0인지 1인지 정해져 있지 않고 두 가지 상태를 모두 가지고 있다고 양자역학에서는 말합니다. 이를 양자 중첩 상태라 합니다. 이러한 중첩상태가 붕괴되고 하나로 확정된느 순간은 우리가 그 양자와 상호작용을 하여 관찰할 때입니다. a라는 양자가 0과 1의 상태를 동시에 가지게 되는데 0인지 1인지 확읺을 하는 순간 그 양자가 0인지 1인지 확정 되어 진다는 것입니다. 양자 중첩은 너무 어려우니 뒤에 이해하고 일단 두 번째 키워드인 동시성에 대해 알아보겠습니다. 동시성 0과 1의 상태를 모두 가지는 a를 관찰하게 되면 그 순간 a는 0또는 1로 확정된다고 하였습니다. 만약 a가 1로 확정된다면 0과 1의 중첩상태에 있던 b는 a가 1로 확정되는 그 순간 0으로 확정되게 되며 a가 0으로 확정되었다면 b는 1로 확정 됩니다. 그런데 a와 b가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 a와 b는 동시에 상태가 결정된다고 양자역학에서는 해석하고 있습니다. 만약 12시 정각에 a가 1로 확정 되었다면 그 순간 b가 아무리 멀리 떨옂 있더라도 12시 정각 똑같은 시간에 b는 0으로 확정됩니다. 고전역학적으로 보았을 때 중첩된 b는 a가 0으로 확정되었는지 1로 확정되었는지를 바로 알수가 없습니다. a가 1이 되는 순간 그 정보를 b로 보내 그 정보를 토대로 b가 0이 된다고 생각해볼 수도 있는데 특수 상대성 이론에 의하면 빛보다 빠른 물체는 존재할 수 없기 때문에 빛보다 빨리 정보가 전달되는 것은 불가능합니다. 하지만 양자얽힘에서는 시간 차이 없이 동시에 a와 b가 확정되어 집니다. 고전역학적으로 봤을대 a의 상태가 b로 빛의 속도보다 빨리 전달 된 것처럼 보이는 것입니다. 여기에 의문을 제기한 과학자 중 하나가 바로 아인슈타인 입니다. 아인슈타인은 양자역학을 불완전한 학문이라 주장한 대표적인 과학자입니다. 아인슈타인의 특수 상대성이론에 의하면 모든 질량을 가지는 물질은 빛보다 빠를 수 없습니다. ( 질량을 가진 물체가 빛의 속도에 가가워 질수록 무한대의 에너지를 필요로 하게 된다. 우주의 에너지는 유한함으로 빛보다 빠를 수 없다. ) 이는 우주만물에 예외없이 적용되는 법칙입니다. 그런데 양자 얽힘에 의하면 a의 정보가 빛보다 빠르게 b로 전달이 된것처럼 보입니다. a가 1이라는 정보가 b에 전달되었기에 b가 0으로 확정 되었는데 정보는 빛보다 빨리 전달될 수 없으므로 양자역학은 틀렸다는 것입니다. 예를 들어 서로 얽혀 있는 양자 중 a는 지구에 양자 b는 달에 가져다 놓았습니다. 지구에 있는 a를 12시 정각에 관찰하여 확인하는 순간 0또는 1로 확정 됩니다. 만약 1로 확정되었다면 1로 확정된 정보가 달에 있는 b로 전달 되어야 되는데 이때 빛의 속도로 정보가 간다고 하더라도 1.3초의 시간이 걸리기 때문에 최소한 12시 1.3초 이후에 b는 0이 되어야 합니다. 특수 상대성 이론에 의하면 빛보다 빠릴 움질일 수 없기 때문입니다. 하지만 12시 정각에 지구에 있는 a가 1로 확정되게 되면 달에 있는 b는 시간의 지체 없이 12시 정각에 0으로 확정되는 것이 여러 실험에 의해 밝혀졌습니다. 아인슈타인이 틀린 것입니다. ( 아스페, 클라우저, 차일링거) 특수상대성이론과 양자역학은 서로 모순되는 것처럼 보입니다. 양자역학은 맞고 특수상대성이론이 틀린 것일까요? 그렇지 않습니다. 현재 ㅈ밝혀진 바로는 양자역학도 맞고 특수상대성이론 또한 맞습니다. 이 두 가지 모순되어 보이는 현상을 모두 만족할 수 있는 조건을 우리는 찾아내야 합니다. 이제부터 그 조건을 찾아봅시다. 특수상대성이론에 의하면 빛보다 빠른 속도는 존재할 수 없습니다. 그런데 여기에서 속도는 공간을 시간으로 나눈 분수입니다. 공간을 시간으로 나눈 것이 빛의 속도보다 작다는 것은 절대 법칙입니다. 그런데 이 수식을 만족하기 위해서는 한 가지 조건이 필요합니다. 그 조건이 너무나도 당연해 보이기 때문에 우리는 생략한체 사용하고 있었습니다. 속도란 공간을 시간으로 나눈 분수입니다.  그런데 분수가 성립되기 위해서는 분모가 0이 되면 안됩니다. 즉 속도라는 개념에서 분모인 시간이 0이 되면 분수인 속도는 성립되지 않습니다. 굳이 따지면 무한대의 속도라 할 수 있습니다. 이 식에서 분모인 시간이 0이 된다면  ( 무한대 > 빛의속도) 위 식은 성립하지 않습니다. ( 속도 < 빛의속도 성립 x ) 즉 특수상대성이론에서 "빛보다 빠른 속도는 존재하지 않는다." 이 명제는 "시간이 0이 아닐 때 에는  빛보다 빠른 속도는 존재하지 않는다."로 바뀌어야 합니다. ( 속도 ( 시간 =0이 아님)  < 빛의속도 ) 아인슈타인이 간과한 점이 바로 이것입니다. 시간이 "0"인 경우를 생각하지 않은 것입니다. 시간이 0이라는 것이 무슨 의미일까요? ( 시간 = 0 ) 두가지로 표현해 볼 수 있습니다. 0이란 없다는 의미도 가지므로 시간이 없다. 라고 표현할 수 있습니다. 사과가 0이다 라는 말은 ( 사과 = 0) 사과가 없다는 말이 됩니다. 우리는 시간이 얼마나 흘렀나를 계산할 때 앞의 시간에서 뒤의 시간을 뺀 편차를 적습니다. 12시에서 12시 10분이 되었다면 10분의 시간이 흘렀다고 표현합니다. 그런데 두 시간의 편차가 0이라면 시간이 흐르지 않은 것이 됩니다. 이는 시간이 흐르지 않았다. 로 표현할 수도 있습니다. 상대성이론에 다시 접목해 보자면 "시간이 흐르고 시간이 존재하는 세상에서는 모든 물체는 빛보다 빠를 수가 없다." "만약 시간이 없는 세계, 시간이 흐르지 않는 세계에서는 속도 제한은 의미가 없으며 속도라는 개념은 존재하지 않는다." 아인슈타인의 특수상대성이론은 시간이란 흐르며 시간은 존재한다는 고정관념이 무의식속에 깔려 있는 이론입니다. 만약 시간이 없는 시간이 흐르지 않는 세계를 이 특수상대성이론으로 완벽하게 설명할 수 있을까요? 이는 불가능합니다. 다시 양자 얽힘의 세계로 들어가 봅시다. 서로 얽힌 양자의 세계에서 아무리 거리가 멀리 떨어져 있더라도 얽혀 있는 양자는 같은 시간에 상태가 결정되게 됩니다. 즉 시간이 걸리지 않습니다. 여러 실험결고에 의하면 12시 정각에 a에서 1의 상태로 확정이 되면 b또한 12시 정각에 중첩이 붕괴되어 0으로 상태가 결정되게 됩니다. a와 b는 공간이 떨어져 있지만 시간의 편차는 "0"입니다. 즉 시간이 흐르지 않는 세계입니다. 여기서 재미있는 점은 100/0 = 10000/0 = 1/0 은 모두 같다는 사실입니다. 즉 속도의 개념에서 분모인 시간이 "0"이 되다면 분자인 공간은 아무 의미가 없습니다. 1000km 떨어져있든 1km 떨어져 있든 같습니다. 바로 양자의 큰 특징인 "비국소성"입니다. 양자 얽힘의 실험에서도100m 떨어트리든 1000km 떨어트리든 같은 실험결과가 나옵니다. 양자의 세계에서는 시간이 흐르지 않는 시간이 없는 순간이 존재한다고 생각해 볼 수 있는 것입니다. 이는 이미 많은 물리학자들이 시간이 흐르지 않으며 존재하지 않는다고 주장하고 있습니다. 대표적인 책이 카를로 로벨리의 "시간은 흐르지 않는다." 입니다. 아인슈타인이 양자역학을 이해하지 못하고 반대한 이유가 여기에 있습니다. 아이슈타인은 시간이란 흐르며 항상 시간은 존재한다는 고정관념을 무의식적으로 가지고 있었습니다. 그런 상태에서 시간이 존재하지 않는 세계를 보니 이해할 수가 없었던 것입니다. 시간이 없는 시간이 흐르지 않는 세계에서는 양자의 동시성 말고 어떠한 일들이 벌어지는지 자세히 살펴 봅시다. 시간이 흐르지 않는 세계에서 갑이라는 입자가 a에서 b라는 공간으로 이동해다고 가정해 봅시다. 12시 정각이라는 시간에 시간이 흐르지 않는 상태에서 a에서 b라는 공간으로 이동했습니다. 시간이 흐르지 않는 상황에서 b에서 다시 a로 이동할 수도 있습니다. 이때 갑이라는 입자는 12시 정각에 어느 공간에 존재한 것이 될까요? 신기하게도 12시 정각에 a와 b라는 공간에 모두 존재한 것이 됩니다. a와 b 뿐만이 아니라 a와 b 사이의 모든 공간에 존재한 것이 됩니다. 즉 하나의 입자가  여러 공간에 동시에 존재 하게 됩니다. 그렇기 때문에 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수도 있습니다. 바로 파동의 성질입니다. 또한 오른쪽으로 회전할 수도 있고 왼쪽으로도 회전 할 수 있는 을이라는 입자가 시간이 흐르지 않는 상태에서 방향을 바꾸었다고 가정해봅시다. 12시 정각이라는 시간에 시간이 흐르지 않는 상태에서 오른쪽으로 회전하던 을이 왼쪽으로 회전하였습니다. 시간이 흐르지 않는 상태이기 때문에 12시 정각에 다시 오른쪽으로 방향을 바꿀수도 있습니다. 이때 을이라는 입자는 12시 정각에 오른쪽으로 회전한 것일까요? 왼쪽으로 회전하는 것일까요? 놀랍게도 을이라는 입자는 12시 정각에 오른쪽으로 회전했고 왼쪽으로도 회전한 것이 됩니다. 즉 동 시간에 두 가지 상태를 모두 가지게 됩니다. 이것이 바로 양자 중첩입니다. 0에서 1로 바뀌는 데 시간이 걸리지 않는다면 0과 1의 상태를 동시에 가지는 것입니다. 그리고 12시 정각에 갑이라는 입자는 정확한 위치, 을의 정확한 방향을 정의 내릴수 있을까요? 이는 불가능합니다. a에도 존재했고 b에도 존재했습니다. 수학적으로 표현이 되자면 확률로 밖에는 표현이 되지 않을 것입니다. 12시 정각에 갑은 a와b 사이에 99.9 프로의 확률로 존재한다. 이 경우에는 a-c가지에는 몇 프로의 확률로 존재한다. 라고 밖에 표현을 하지 못할 것입니다. 즉 시간이 없는 세계에서는 특정 시간에 어디 공간에 위치하는 지는 오로지 확률로 밖에 표현할수 없습니다. 정리해 보자면, 1,시간이 흐르지 않는 세계에서는 동 시간에 하나의 입자가 여러 공간에  실제로 동시에 존재한다. 바로 파동의 성질이다. 또한 여러 가지 상태가 동시에 존재하는 중첩이 가능하다. (동시성) 2.시간이 흐르지 않는 세계에서는 입자의 위치는 오로지 확률로만 표현된다. (불확실성) 3. 양자얽힘에서 얽혀 있는 양자끼리 관측을 통해 상태가 결정되게 되면 공간의 거리에 상관없이 시간이 걸리지 않고 동 시간에 이루어 진다.   (비국소성) 이와 같은 특징을 가지게 됩니다. 그렇다면 이제 시간이 흐르는 세계의 특징을 살펴봅시다. 우리는 시간이 흐른다고 느끼고 있으며 시간의 흐름 속에서 살고 있으면 모든 행동에는 시가닝 필요합니다. 우리가 사는 거시세계의 특징이 바로 시간이 흐르는 세계의 특징입니다. 첫 번째, 속도라는 개념이 존재하며 특수상대성 이론에 의해서 빛보다 빠른 속도는 존재하지 않는다. 두 번째, 입자가 공간을 이동하기 위해서는 반드시 시간이 소모된다. 그렇기 때문에 같은 시간에 여러공간에 동시에 존재할 수 없다. (국소성) 뒤에 나오겠지만 이중슬릿 실험에서 두개의 구멍을 동시에 통과할 수 없다. 예를 들어 12시 정각에 부산에서 서울로 출발한다면 12시 정각에 서울에 도착할 수 없다. 그러므로 12시 정각에 부산과 서울에 동시에 존재했다 할 수 없다. 세 번째, 특정 시간에 정확한 위치를 공간에 표시할 수 있다. (실재성) 공간을 이동하는데 시간이 소비되기 때문에 12시 정각에 부산에 위치한다 1시 정각에 서울에 위치한다 와 같이 정확한 위치를 계산하고 표현할 수 있다. 네 번째, 공간을 이동하는데 시간이 필요하며,동시에 중간 과정이 반드시 필요하다. (연속성) 부산에서 서울로 이동을 할 때 , 부산에서 사라져서 서울에서 나타나는 것과 같이 중간 과정없이 공간이동을 할 수 없다. 즉 양자도약과 같은 중간과정이 없는 이동이 불가능하다. 여기에서 시간이 흐르지 않는 세계의 특징은 정확히 양자의 성질과 일치합니다.   <img class="-up-content -lazy-image" alt="" org-width="922" org-height="429" src="/img/transparent.gif" data="https://ncache.ilbe.com/files/attach/new/20240411/377678/11349420799/11527428053/30f084b45f9ac35ad5e6eb0daf5347f7_11527429018.jpg"> 양자역학이 어렵게 느껴지고 이해할 수 없었던 이유는 시간이란 항상 존재하며 항상 흘러간다라는 고정관념 때문입니다. 시간이 있다고 믿는 입장에서 시간이 없는 세계를 관찰하니 그 움직임을 이해할 수 없었던 것입니다. 그렇다면 거시세계의 시간은 언제 탄생하는 것일까요? 놀랍게도 시간이 탄생하는 순간을 관찰한 실험이 있습니다. 양자역학에 대해 관심있으신 분들은 모두 알고 있는 실험입니다. 바로 그 유명한 이중슬릿 실험입니다. 존재하지 않던 시간이 탄생하는 순간을 어떻게 알 수 있을까요? 바로 시간이 없는 세계의 특징이 사라지고 시간이 흐르는 세계의 특징이 나타나는 그 순간의 조건을 찾으면 됩니다. 시간이 없는 세계와 시간이 존재하는 세계의 가장 큰 차이점은 하나의 입자가 동시에 여러 공간에 존재하느냐 존재하지 못 하느냐 입니다. 시간이 없는 세계에서는, 양자가 동시에 여러공간에 존재할 수 있습니다. 시간이 있는 세계에서는, 양자가 동시에 여러공간에 존재할 수 없습니다. 동시에 여러 공간에 존재하는 특성이 사려저서 동 시간에 하나의 공간에만 존재하는 그 순간의 조건을 실험을 통해 찾으면 됩니다. 그 조건이 바로 시간이라 말할 수 있습니다. 그 조건이 바로 존재하지 않던 "0"이던 시간이 탄생하는 순간이며 시간이 흐르는 순간이기 때문입니다. 어떠한 입자가 동시에 여러 공간에 존재하는지 못하는지를 알아내는 실험은 의외로 간단합니다. 구멍을 두 개 뚫어 놓고 그 입자를 던져보면 됩니다. 만약 동시에 여러 공간에 존재한다면 구멍 두 개를 동시에 통과 할 수 있을 것입니다. 구멍 두 개를 동시에 통과하면 특정 간섭무늬를 만들어 냅니다. 바로 파동의 성질입니다.  동시에 여러 공간에 존재하지 못한다면 구멍 두 개를 동시에 통과할 수 없으며 하나의 구멍만 통과할 수 있습니다. 바로 그 유명한 이중슬릿 실험입니다. 여러 실험을 통하여 과학자들은 그 단 하나의 조건을 알아냈습니다. 그 조건은 바로 상호작용입니다. 물리학 용어로는 "결어긋남"입니다. 어떠한 입자가 다른 입자와 상호작용을 하지 않는다면 그 입자는 구멍 두 개를 동시에 통과하여 간섭무늬를 만들어 냅니다. 이때 이 입자가 어떻게 두 개의 구멍을 동시에 통과 했는지 알기 위해 관측하는 순간 입자는 하나로 확정되어 하나의 구멍만 통과하게 됩니다. 여기에서 과학자들은 여러 실험을 통하여 관측뿐만이 아니라 하나의 양자가 자신을 제외한 어떠한 물질과 상호작용을 하는 순간 중첩이 붕괴 되어 하나로 확정되어 진다는 것을 밝혀 냈습니다. 관측 또한 상호작용 없이는 불가능합니다. 즉 상호작용을 하지 않으면 시간이 없는 세계의 특징인 여러 공간에 동시에 존재하게 되며 상호작용을 하는 순간 시간이 없는 세계의 특징이 사라지고 시간이 흐르는 세계의 특징인 하나의 입자는 하나의 공간에만 존재하게 됩니다. 상호작용의 유무에 다라 시간이 흐르는 세계와 시간이 흐르지 않는 세계가 구분이 됩니다. 이중슬릿 실험은 사실 시간이 무엇인지 우리에게 가르쳐 주는 실험이지 않았나 개인적으로 생각해 봅니다. "상호작용이 시간입니다." 지금까지 수많은 실험에 의하면 중첩과 같은 시간이 없는 세계의 모든 특징이 사라지며 시간이 흐르는 세계의 특징이 나타나는 순간은 상호작용이 유일합니다. 거시세계의 우리가 시간이 있다고 느끼는 이유가 바로 이 때문입니다. 우리는 상호작용 속에서 살고 있습니다. 상호작용 없이는 볼 수도 먹을 수도 없습니다. 틁을 수도 없으며 죽을 수도 없습니다. 생각도 할 수 없습니다. 물리학 실험 또한 할 수 없습니다. 상호작용 속에서 모든 것이 이루어지기 때문에 시간은 항상 흐르고 있다고, 존재한다고 믿어왔던 것입니다. 상호작용 속에서만 생활할 수 있는 즉 시간이 존재하는 세상에 살고 있는 우리가 시간이 없는 세계를 관찰하니 이해할 수 없는 현상으로 보였던 것입니다.

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