미래가 과거를 바꾼다 양자 지우개

우리가 살고 있는 거시 세계에서는 '원인'이 먼저 일어나고 그로 인해 '결과'가 발생한다는 인과율(Causality)이 절대적인 진리다. 활시위를 당겨야 화살이 과녁에 꽂히고, 유리잔을 떨어뜨려야 잔이 깨진다. 쏟아진 물을 주워 담을 수 없듯, 시간은 언제나 과거에서 미래라는 한 방향으로만 흐른다. 그러나 원자와 광자가 노니는 미시 세계, 즉 양자역학(Quantum Mechanics)의 세계로 들어가면 이 굳건한 상식은 산산조각이 난다. 아인슈타인마저 "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"며 끝까지 받아들이기를 거부했던 양자역학의 기이함은 1999년, 한 물리 실험에 의해 그 정점을 찍게 된다. 바로 '지연된 선택 양자 지우개(Delayed-choice Quantum Eraser)' 실험이다. 이 실험은 단순히 입자가 두 장소에 동시에 존재할 수 있다는 으스스한 사실을 넘어, '미래에 일어난 관측 행위가 과거에 일어난 입자의 상태를 소급해서 바꿔버린다'는 소름 돋는 결과를 보여주었다. SF 영화에서나 나올 법한 시간 여행과 인과율의 붕괴가 레이저 빔과 거울을 이용한 실험실에서 실제로 증명된 것이다. 인간의 직관을 비웃는 양자 지우개 실험의 구조와 그것이 우주에 던지는 충격적인 의미를 들여다보자.

이중 슬릿 실험과 관측의 딜레마

양자 지우개 실험을 이해하려면 먼저 양자역학의 가장 기본인 '이중 슬릿(Double Slit) 실험'을 알아야 한다. 두 개의 가느다란 틈(슬릿)이 뚫린 판을 향해 빛(광자)을 쏘면, 스크린에는 빛이 파동처럼 퍼져나가며 서로 간섭하여 만든 여러 줄의 얼룩말 무늬(간섭 무늬)가 나타난다. 그런데 빛을 알갱이(입자) 하나씩 아주 천천히 쏘아도 스크린에는 여전히 간섭 무늬가 생긴다. 광자 하나가 두 개의 구멍을 동시에 통과하는 '중첩(Superposition)' 상태로 날아가 자기 자신과 간섭을 일으키는 것이다. 답답해진 물리학자들이 대체 광자가 어느 쪽 슬릿을 통과하는지 확인하기 위해 슬릿 앞에 '관측기'를 달아 훔쳐보기 시작했다. 그러자 기이한 일이 벌어졌다. 관측되는 순간 광자의 파동성은 흔적도 없이 붕괴(결어긋남)해 버렸고, 스크린에는 두 줄의 입자 자국만 선명하게 남았다. '관측'이라는 행위 자체가 입자의 운명(파동이냐 입자냐)을 결정지어 버린 것이다. 과학자들은 딜레마에 빠졌다. 광자는 관측당할 것을 미리 알고 출발하기 전부터 파동이나 입자로 변신할 준비를 하는 것일까?

얽힌 광자와 지연된 선택

이 의문을 해결하기 위해 미국의 물리학자 존 휠러(John Wheeler)는 1978년 기발한 사고실험을 제안했고, 1999년 김윤호 박사 연구팀이 이를 실제로 구현해 냈다. 이른바 지연된 선택 양자 지우개 실험이다. 연구팀은 이중 슬릿을 통과한 광자를 특수한 렌즈(비선형 결정)에 통과시켜, 에너지가 절반인 쌍둥이 광자 두 개로 쪼갰다. 이 두 광자는 양자 얽힘(Quantum Entanglement) 상태에 놓여 있어, 한 놈의 운명이 결정되면 반대편 우주 끝에 있는 다른 놈의 운명도 즉각 결정된다. 쪼개진 쌍둥이 중 광자 A는 곧바로 앞쪽 스크린으로 날아가 부딪힌다(결과 발생). 반면 광자 B는 복잡한 거울과 빔 스플리터(반투명 거울)로 이루어진 미로를 빙빙 돌게 만들어, 광자 A가 스크린에 부딪힌 한참 뒤(미래)에야 도착하도록 경로를 길게 지연시켰다. 그리고 광자 B의 도착 지점에는 광자가 어느 슬릿을 통과했는지 정보를 '관측하는 탐지기'와 정보를 '지워버리는(어느 쪽인지 모르게 섞어버리는) 탐지기'를 무작위로 설치했다. 즉, 과거에 이미 스크린에 부딪힌 광자 A의 궤적이, 훗날 미래에 광자 B를 관측할지 말지 '선택'하는 행위에 의해 영향을 받는지를 테스트한 것이다.

정보를 지우자 과거의 무늬가 되살아났다

실험 결과는 충격적이었다. 광자 B가 어느 슬릿을 통과했는지 경로 정보를 '관측'하는 탐지기에 들어간 경우, 이미 과거에 스크린에 부딪혀 흔적을 남긴 얽힌 광자 A의 기록들을 모아보면 간섭 무늬가 없는 '입자(두 줄)' 형태를 띠었다. 그런데 놀랍게도 빔 스플리터를 통과하여 광자 B의 경로 정보가 완전히 '지워져 버린' 탐지기에 도달한 경우, 과거에 스크린에 남긴 광자 A의 기록을 모아보면 선명한 '파동(간섭 무늬)' 무늬가 나타났다. 이는 시간 순서상 명백한 모순이다. 광자 A는 광자 B가 관측기(정보 획득)에 들어갈지 지우개(정보 폐기)에 들어갈지 결정되기도 전에 이미 스크린에 부딪혀 죽어버렸기 때문이다. 미래에 발생한 관측이라는 사건이 과거로 시간을 거슬러 올라가 광자 A가 입자로 행동할지 파동으로 행동할지 그 운명을 결정지어 버린 것이다. 마치 범죄 현장의 CCTV 테이프를 지워버렸더니 과거의 범죄 사실 자체가 없던 일로 파동처럼 흩어져 버린 것과 같은 마법 같은 현상이다.

시간은 환상인가, 우주의 홀로그램인가

이 실험은 물리학계를 넘어 철학과 인식론에 거대한 파장을 던졌다.