우리가 살고 있는 이 세계는 시간외 절대적으로 구속되어 있다. 인간은 시간이라는 것은 끊임없이 무한히 흐르는 것으로 이해하고 있고 시간의 흐름 속에서 우리는 태어나고 살아가고 죽음을 맞이하며 세상을 마친다. 자연현상은 시간의 흐름과 함께 지속되고 있으며 시간을 벗어나서는 세상 자체가 존재하지 않을 것처럼 여겨진다.
그러나 많은 과학자들이 연구에 의하면 시간은 흐르지 않는다라는 사실이 밝혀지고 있고 실제로 양자의 세계에서는 시간이 흐르지 않음을 확인하기도 한다.
이번 글에서는 양자역학 입장에서 시간은 흐르기도 하고 흐르지 않음을 탐구해 볼 것이다.
양자 얽힘과 중첩, 동시성
양자 얽힘이란 서로 다른 두 양자가 얽혀 있는 현상으로 일반인으로서는 쉽게 이해할 수 없는 개념이다. 양자 얽힘의 핵심 키워드는 중첩과 동시성이다.
양자의 중첩
A 와 B 는 0 과 1 의 상태를 가지는 양자라고 하자. 만약 A 가 1 이면 B 는 0 이 되고, B 가 1 이면 A 는 0 이 되는 얽힌 관계가 있다고 가정해 보자.
만일 이 두 개의 양자가 멀리 떨어저 있다면 양자 얽힘에 이하여 A 와 B 둘 중 하나를 관찰하여 0 인지 1 인지를 확인하는 순간 나머지 하나의 양자 또한 0 인지 1 인지 결정된다. A가 1 이라면 B 는 0 일 것이고 B 가 1 이라면 A 는 0 일 것이다.
고전역학의 입장으로 보면 A 와 B 의 상태는 0 인지 1 인지 알 수 없을 뿐이고 이미 정해져 있는 것임에 틀림없다. 하지만 양자역학에 의하면 A 와 B 는 0 과 1 의 상태를 모두 가지는 중첩 상태로 존재하게 된다.
즉 관찰 전의 A 는 0 인지 1 인지 정해져 있지 않고 두 가지 상태를 모두 가지고 있다. 이를 양자 중첩 상태라 한다. 이러한 중첩 상태가 붕괴되고 하나로 확정되는 순간은 우리가 양자와 상호작용하여 관찰할 때다.
양자의 동시성
위에서 A 가 0 이나 1 중의 하나로 관찰이 되면 B 도 1 이나 0 으로 정해진다고 하였다. 그런데 이러한 A, B 의 상태의 확정은 두 양자가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 동시에 결정되는데 양자의 이런 성질을 양자의 동시성이다.
동시성은 0 과 1 의 상태로 중첩돼 있던 A 를 관찰하게 되는 순간 A 는 0 또는 1 로 확정되고, 그 순간 B 는 아무리 멀리 떨어져 있더라도 동시에 1 또는 0 상태가 결정된다고 해석한다.
이것은 고전역학의 관점으로 이해하기 어려운 부분일 수 있다. A 의 상태가 결정되는 순간에 A 의 정보를 멀리 떨어진 B 로 보내 그 정보를 토대로 B 의 상태가 결정된다고 하면, 그 정보는 빛 보다 빨리 이동하는 결과가 되고, 이것은 특수 상대성 이론에 의하면 빛보다 빠른 물체는 존재할 수 없기 때문에 빛보다 빨리 정보가 전달되는 것은 불가능하다.
하지만 양자 얽힘에서는 시간 차이 없이 동시에 A 와 B 가 확정된다. 이것은 고전역학적으로 볼 때, A의 정보가 빛의 속도보다 빨리 B 에게 전달된 것처럼 보인다. 여기에 의문을 제기한 과학자 중 하나가 바로 아인슈타인이다.
아인슈타인의 특수 상대성 이론에 의하면 모든 질량을 가지는 물질은 빛보다 빠를 수 없다. 이는 우주 만물에 예외 없이 적용되는 법칙이다.
그런데 양자 얽힘에 의하면 A 의 정보가 빛보다 빠르게 B 로 전달된 것처럼 보인다. 그러나 정보는 빛보다 빨리 전달될 수 없으므로 양자역학은 틀렸다는 것이다.
그러나 많은 양자역학의 실험에서 양자의 동시성이 밝혀졌으므로 아인슈타인이 틀린 것이다. 그래서 특수 상대성 이론과 양자역학은 서로 모순되는 것처럼 보인다.
그렇다면 고전역학과 양자역학 중 어느 것이 맞을까? 현재 밝혀진 바에 따르면 양자역학도 맞고 특수 상대성 이론 또한 맞다고 한다.
시간이 흐르지 않는 세계
우리는 속도가 거리를 시간으로 나눈 분수 값 임을 알고 있다. 그러나 이 분수를 만족시키기 위해서는 한 가지 조건이 필요하다. 분수가 성립하기 위해서는 분모가 0 이 되어서는 안 된다. 즉, 속도라는 개념에서 분모인 시간이 0 이 되면 분수인 속도는 성립하지 않는다.
즉, 특수 상대성 이론에서 빛보다 빠른 속도는 존재하지 않는다는 명제는 시간이 0 이 아닐 때에만 성립한다. 아인슈타인이 간과한 점이 바로 이것이다. 시간이 0인 경우를 생각하지 않았다는 것이다.
그렇다면 시간이 0 이라는 것이 무슨 의미일까? 두 가지로 표현할 수 있다. 0 이란 없다는 의미도 가지므로 시간은 없다라고 표현할 수 있다. 또 다른 의미는 시간이 흐르지 않는 것(정지 상태)이 된다.
상대성 이론에 다시 접목해 보면, 시간이 흐르고 시간이 존재하는 세상에서는 모든 물체는 빛보다 빠를 수 없다. 만약 시간이 없는 세계, 시간이 흐르지 않는 세계에서는 속도 제한은 의미가 없으며 속도라는 개념은 존재하지 않는다.
아인슈타인의 특수 상대성 이론은 시간이란 흐르며 시간은 존재한다는 고정관념이 무의식 속에 깔려 있는 이론이다. 그래서 시간이 없는, 시간이 흐르지 않는 세계를 이 특수 상대성 이론으로 완벽하게 설명할 수 없는 것이다.
서로 얽힌 양자의 세계에서는 아무리 거리가 멀리 떨어져 있더라도 양자이 상태는 동시에 결정된다. 즉, 시간이 걸리지 않는다. 즉, 시간이 흐르지 않는 세계에서는 속도 분수식에서 분모가 0 이므로 분자인 거리는 의미가 업게된다. 다시 말하면 1km 나 1000km 나 양자의 세계에서는 같다는 것이다.
이것은 양자의 세계에서는 시간이 흐르지 않는, 시간이 없는 순간이 존재한다고 생각해 볼 수 있음을 의미한다. 이미 많은 물리학자들이 시간이 흐르지 않으며 존재하지 않는다고 주장하고 있다.
시간이 없는, 시간이 흐르지 않는 세계에서는 A 입자가 B 에서 C 라는 공간으로 이동했다고 가정할 때, 입자 A 는 B에도 C에도 B,C 사이에도 동시에 존재할 수 있다. 또 하나의 입자가 두 개의 구멍을 동시에 통과할 수도 있고(파동성) 또한 오른쪽과 왼쪽으로 동시에 회전 할 수 도 있다. 즉, 동시에 두 가지 상태를 모두 가지게 된다. 이것이 바로 양자 중첩이다.
그래서 우리는 양자역학에서 입자의 위치를 나타낼 때 정확한 위치를 특정할 수 없고 확률로 표현하는 것이다(불확정성 원리)
시간이 흐르는 세계
우리가 사는 거시 세계의 특징이 바로 시간이 흐르는 세계의 특징이다. 다음과 같은 특징이 있다.
첫 번째, 속도라는 개념이 존재하며, 특수 상대성 이론에 의해서 빛보다 빠른 속도는 존재하지 않는다.
두 번째, 입자가 공간을 이동하기 위해서는 반드시 시간이 소모되므로 같은 시간에 여러 공간에 동시에 존재할 수 없다.
세 번째, 특정 시간의 정확한 위치를 공간에 표시할 수 있다.
네 번째, 공간을 이동하는 데 시간이 필요하며, 동시에 중간 과정이 반드시 필요하다. 즉, 양자 도약과 같은 중간 과정이 없는 이동이 불가능하다.
양자역학이 어렵게 느껴지고 이해할 수 없는 이유는 시간이란 항상 존재하며 항상 흘러간다는 고정관념 때문이다. 시간이 있다고 믿는 입장에서 시간이 없는 세계를 관찰하니 움직임을 이해하기 어렵다.
시간의 탄생
그렇다면 거시 세계의 시간은 언제 탄생하는 것일까?
놀랍게도 시간이 탄생하는 순간을 관찰한 실험이 있다. 바로 유명한 영의 이중 슬릿 실험이다. 존재하지 않던 시간이 탄생하는 순간을 어떻게 알 수 있을까? 바로 시간이 없는 세계의 특징이 사라지고 시간이 흐르는 세계의 특징이 나타나는 순간의 조건을 찾는 것이다.
시간이 없는 세계와 시간이 존재하는 세계의 가장 큰 차이점은 하나의 입자가 동시에 여러 공간에 존재하냐, 존재하지 못하냐이다. 시간이 없는 세계에서는 양자가 동시에 여러 공간에 존재할 수 있다.
시간이 있는 세계에서는 양자가 동시에 여러 공간에 존재할 수 없다. 동시에 여러 공간에 존재하는 특성이 사라져서 동시에 하나의 공간에만 존재하는 순간의 조건을 실험을 통해 찾으면 된다. 그 조건이 바로 시간이라고 말할 수 있다.
조건이 바로 존재하지 않던, 0 이던 시간이 탄생하는 순간이며, 시간이 흐르는 순간이기 때문이다. 어떠한 입자가 동시에 여러 공간에 존재했는지, 못 했는지 알아내는 실험은 의외로 간단하다. 구멍을 두 개 뚫어놓고 입자를 통과시켜 보면 된다.
만약 동시에 여러 공간에 존재한다면, 구멍 두 개를 동시에 통과할 수 있을 것이다. 구멍 두 개를 동시에 통과하면 특정 간섭 무늬를 만들어낸다. 이는 파동의 성질이다.
동시에 여러 공간에 존재하지 못한다면, 구멍 두 개를 동시에 통과할 수 없으며 하나의 구멍만 통과할 수 있다. 이는 바로 유명한 이중 슬릿 실험이다.
옆의 그림은 전자의 이중 슬릿 실험 모습이다 왼쪽은 사람이 실험을 관찰할 때에 모습이고 오른쪽은 실험을 관찰할지 않을 때의 모습이다.
관찰할 때와 관찰하지 않을 때 뒤쪽 스크린에 나타나는 간섭 무늬에 분명한 차이가 있음을 보여준다, 즉 관찰할 때는 두 개의 간섭 무늬만 나타나지만 관찰하지 않을 때에는 여러 개의 간섭 무늬가 나타나고 있다.
이와 같이 서로 다른 결과가 나오는 이유를 여러 실험을 통하여 과학자들은 단 하나의 조건을 알아냈다. 그 조건은 바로 상호작용이다. 물리학 용어로는 결합 불일치(이론적 모델과 실험적 관찰 사이에 불일치가 있을 때 사용)이다. 어떠한 입자가 다른 입자와 상호작용을 하지 않는다면, 입자는 구멍 두 개를 동시에 통과하여 간섭 무늬를 만들어낸다.
이때 이 입자가 어떻게 두 개의 구멍을 동시에 통과했는지 알기 위해 관측하는 순간, 입자는 하나로 확정되어 하나의 구멍만 통과하게 된다.
여기에서 과학자들은 여러 실험을 통하여 관측 뿐만 아니라 하나의 양자가 자신을 제외한 어떠한 물질과 상호작용을 하는 순간, 중첩이 붕괴되어 하나로 확정된다는 것을 밝혀냈다.
관측 또한 상호작용 없이는 불가능하다. 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 된다.
상호작용의 유무에 따라 시간이 흐르는 세계와 시간이 흐르지 않는 세계가 구분된다. 이중 슬릿 실험은 사실 시간이 무엇인지 우리에게 가르쳐주는 실험이 이라고 여겨진다. 즉 상호작용이 시간이다.
지금까지 수많은 실험에 의하면, 중첩과 같은 시간이 없는 세계의 모든 특징이 사라지며 시간이 흐르는 세계의 특징이 나타나는 순간은 상호작용이 유일하다.
거시 세계에서 우리가 시간이 있다고 느끼는 이유가 바로 이 때문이다. 우리는 상호작용 속에서 살고 있다. 상호작용 속에서 모든 것이 이루어지기 때문에 시간은 항상 흐르고 있다고, 존재한다고 믿어왔던 것이다.
마무리
우리는 시간이 흐르는 세계에서 살고 있는 존재이므로 항상 시간의 흐름을 느끼며 살고 있다. 만일 시간이 정지되는 세상을 경험할 수 있다면 잠시 동안은 신비로움을 느끼겠지만 모든 것이 멈추고 모든 것이 변하지 않고 그대로 있고 우리의 수명도 영원하다고 가정하면 과연 그러한 세상에서 살고 싶을지는 의문스럽다.
양자역학으로 시간은 흐르지 않는다는 것을 증명한다고 해도 우리의 삶 속에서는 시간이 흘러가고 수명이 다하고 생을 마치는 것이 행복할 것이다.