보어 아인슈타인 싸움수준 실화냐 보어 아인슈타인 논쟁

1927년 가을, 벨기에 브뤼셀에 당대 최고의 천재 물리학자 29명이 한자리에 모였다. 제5차 솔베이 회의(Solvay Conference)였다. 이 자리에 모인 사람들의 면면은 인류 지성사의 올스타전이라 불러도 손색이 없었다. 마리 퀴리, 슈뢰딩거, 하이젠베르크, 플랑크, 그리고 양대 산맥인 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)과 닐스 보어(Niels Bohr)가 그곳에 있었다. 이 회의는 단순히 과학자들의 친목 도모를 위한 자리가 아니었다. 막 태동하여 물리학의 근간을 뒤흔들고 있던 '양자역학(Quantum Mechanics)'의 본질을 두고, 이를 맹렬히 방어하려는 보어 진영(코펜하겐 학파)과 양자역학의 불완전성을 폭로하려는 아인슈타인 간에 벌어진 피 튀기는 지적 전쟁터였다. 상식과 인과율을 파괴하는 미시 세계의 기괴한 법칙 앞에서, 당대 최고의 두 천재는 한 치의 양보도 없이 서로의 논리를 물어뜯었다. 우주가 철저한 인과율의 시계태엽으로 돌아간다고 믿었던 아인슈타인과, 우주의 본질은 불확실성과 확률이라고 주장한 보어. 과학사에서 가장 유명하고 치열했던 30년 지적 싸움의 하이라이트를 재구성해 보자.

신은 주사위 놀이를 하지 않는다

갈등의 씨앗은 양자역학의 '코펜하겐 해석(Copenhagen Interpretation)'이었다. 보어와 하이젠베르크가 주도한 이 해석에 따르면, 전자와 같은 미시 세계의 입자들은 우리가 '관측하기 전'까지는 어디에 존재하는지 알 수 없으며 단지 여러 곳에 존재할 수 있는 '확률'의 파동으로만 겹쳐져(중첩) 존재한다. 그러다 인간이 관측을 하는 순간, 주사위가 던져지듯 특정 위치에 입자로 나타난다는 것이다. 뉴턴과 맥스웰로 이어지는 고전 물리학의 완벽한 결정론(초기 조건만 알면 미래를 정확히 예측할 수 있다는 믿음)에 뿌리를 두고 있던 아인슈타인에게 이는 물리학에 대한 모독이었다. 아인슈타인은 "달은 우리가 쳐다보지 않을 때도 그 자리에 존재한다"며, 관측이라는 행위가 물리적 실체를 결정한다는 주장을 강하게 혐오했다. 솔베이 회의장에서 아인슈타인은 보어를 향해 그 유명한 일갈을 날렸다. "신은 우주를 가지고 주사위 놀이를 하지 않는다!(God does not play dice with the universe!)" 이에 보어는 지지 않고 차갑게 응수했다. "아인슈타인, 신에게 이래라저래라 지시하지 마시오!(Stop telling God what to do!)"

아인슈타인의 맹공, 사고실험의 융단폭격

아인슈타인은 양자역학 자체를 부정한 것은 아니었다. 양자역학의 수식이 실험 결과와 잘 맞는다는 것은 인정했지만, 확률로밖에 설명하지 못하는 것은 물리학자들이 아직 숨겨진 진짜 변수(숨은 변수 이론)를 찾지 못한 '불완전한 이론'이기 때문이라고 깎아내렸다. 1927년 5차 솔베이 회의와 1930년 6차 회의에서 아인슈타인은 보어의 논리(불확정성의 원리: 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없다)를 깨부수기 위해 매일 아침 기발한 '사고실험(Thought Experiment)'을 들고 회의장에 나타났다. 이중 슬릿 사고실험, 빛이 담긴 상자(Photon Box) 사고실험 등을 통해 "내 사고실험대로라면 입자의 위치와 에너지를 동시에 정확히 잴 수 있다"며 보어를 궁지로 몰아넣었다. 아인슈타인의 예리한 공격에 보어는 큰 충격을 받고 하루 종일 파이프 담배를 뻐끔거리며 끙끙 앓았다. 그러나 다음 날 아침, 보어는 아인슈타인이 간과한 미세한 오차를 기가 막히게 짚어내며 그의 주장을 완벽하게 반박해 냈다. 특히 빛 상자 사고실험에서는 아인슈타인 본인이 만든 일반 상대성이론(중력에 의한 시간 지연 현상)을 역이용하여 아인슈타인의 논리를 격파하는 통쾌한 반격을 날리기도 했다.

EPR 역설, 유령 같은 원격 작용

회의장에서의 논쟁에서 밀린 아인슈타인은 1935년, 젊은 동료들(포돌스키, 로젠)과 함께 양자역학에 치명상을 입힐 최후의 일격, 이른바 'EPR 역설' 논문을 발표했다. 두 입자가 양자역학적으로 얽혀(Entanglement) 있을 경우, 지구에 있는 입자 A를 관측하여 상태가 결정되면 수십억 광년 떨어진 안드로메다에 있는 입자 B의 상태도 '빛보다 빠른 속도로' 즉각 결정되어야 한다는 양자역학의 모순을 지적한 것이다. 아인슈타인은 정보가 빛보다 빨리 전달될 수 없다는 자신의 특수 상대성이론에 위배된다며, 이를 "유령 같은 원격 작용(Spooky action at a distance)"이라 조롱했다. 즉, 빛보다 빠른 통신은 불가능하므로, 입자들은 처음부터 서로 어떤 상태를 가질지 미리 비밀 노트(숨은 변수)에 적어놓고 헤어진 것이 틀림없으며, 따라서 양자역학의 확률 해석은 틀렸다는 주장이었다. 이 거대한 도전에 맞서 보어는 얽힌 입자들은 거리가 아무리 멀어도 '하나의 완전한 물리적 체계'로 보아야 한다며 철학적인 방어막을 쳤지만, 당대의 과학기술로는 누구의 말이 맞는지 실험으로 증명할 길이 없어 논쟁은 미궁 속으로 빠져들었다.