아인슈타인은 왜 죽을 때까지 양자역학을 받아들이지 않았을까요? 양자역학은 현대 물리학에서 가장 성공적이고 영향력 있는 이론 중 하나로 원자, 분자, 빛 및 기타 미시적인 현상의 거동을 놀랍도록 정확하고 우아하게 설명합니다.
하지만 모든 사람이 이 혁신적인 이론인 양자역학에 행복해 한 것은 아닙니다. 특히 양자역학의 창시자 중 한 명인 아인슈타인은 그런 사람 중 한 명 이었습니다.
아인슈타인은 역사상 가장 위대한 물리학자 중 한 명으로 물리학에 대한 그의 공헌은 엄청납니다. 그는 상대성 이론을 개발하여 공간과 시간에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으켰으며 또한 빛이 입자처럼 행동한다는 것을 보여주는 광전 효과를 설명하고 광자 개념을 탄생시켰습니다.
아인슈타인은 양자 이론에 대한 연구로 1921년 노벨 물리학상을 수상하기까지 했는데 그렇다면 아인슈타인은 왜 자신이 창시한 이론인 양자역학을 거부했을까요?
그 답은 실재의 본질에 대한 그의 철학적 견해와 통일된 이론에 대한 그의 과학적 탐구에 있습니다.
양자역학에 대한 아인슈타인의 반대 이유
아인슈타인이 양자역학에 반대했던 주된 이유는 양자역학에 내재된 무작위성과 불확정성 때문이었습니다. 그는 자연은 결정론적이어서 모든 것에는 명확한 원인과 결과가 있으며 우연에 의해 일어나는 일은 없다고 믿었으며 자연은 국소적(local)이어서 한 곳의 사건이 빛의 속도보다 빠르게 다른 곳의 사건에 영향을 미칠 수 없다고 믿었습니다.
그러나 양자역학은 이러한 가정과 모순됩니다.
양자역학에 따르면 전자의 위치나 운동량과 같은 일부 물리량은 측정하기 전까지는 확정적이지 않습니다. 이러한 물리량은 가능한 모든 값의 중첩으로 존재하며, 관측이 이루어지면 하나의 값으로만 축소됩니다. 이는 양자 현상에는 불확실성과 예측 불가능성이 내재되어 있다는 것을 의미하며, 이는 하이젠베르크의 불확실성 원리에 의해 포착됩니다.
또한 양자역학에서는 두 개의 전자와 같은 일부 물리 시스템이 서로 얽힐 수 있다고 예측하는데, 이는 두 전자가 먼 거리에 떨어져 있어도 양자 상태가 연결된다는 것을 의미합니다. 즉, 한 전자를 측정하면 아무리 멀리 떨어져 있어도 다른 전자의 상태에 즉각적으로 영향을 미칩니다.
아인슈타인이 "원거리에서의 으스스한 작용 spooky action at a distance"이라고 불렀던 이 현상은 국소성의 원칙을 위반하며 정보가 빛보다 빠르게 이동할 수 있음을 의미합니다. 아인슈타인은 양자역학의 이러한 함의에 대해 깊은 고민을 했으나 그는 양자역학이 자신의 현실관과 양립할 수 없기에 양자역학이 불완전하다는 것을 의미한다고 생각했습니다.
아인슈타인은 양자 측정의 결과를 결정하고 결정론과 지역성을 회복하는 숨겨진 변수가 있어야 한다고 주장했습니다. 또한 양자역학과 상대성 이론을 통합하고 자연의 모든 신비를 설명할 수 있는 보다 근본적인 이론이 있기를 바랐습니다.
아인슈타인과 보어의 논쟁
양자역학에 대한 회의론은 아인슈타인 혼자만의 생각은 아니었습니다. 양자 중첩의 부조리를 설명하기 위해 유명한 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험을 고안한 에르빈 슈뢰딩거와 같은 많은 동료 있었습니다. 그러나 그에게도 많은 반대자가 있었는데, 특히 코펜하겐 해석의 선두주자였던 닐스 보어는 양자역학에 대한 코펜하겐 해석을 주도한 인물입니다.
코펜하겐 해석은 당시 양자역학에 대한 지배적인 견해로, 양자역학은 완전하고 일관성이 있으며 숨겨진 변수나 더 깊은 이론이 필요 없다고 주장했습니다. 또한 양자 현상은 객관적인 것이 아니라 관찰자와 측정 장치에 따라 달라진다고 주장했습니다. 양자역학의 불확실성과 비장소성(non-locality)을 수용하고 이것이 자연의 본질적인 특징이라고 주장했습니다.
아인슈타인과 보어는 1927년과 1930년 솔베이 회의에서부터 시작하여 생을 마감할 때까지 양자역학의 타당성과 해석에 대한 일련의 논쟁을 벌였습니다. 그들은 많은 주장과 반론을 주고받았고, 서로의 견해에 도전하기 위해 다양한 사고 실험을 고안했습니다. 그러나 그들은 합의에 이르지 못했고, 양자역학의 근본적인 문제에 대해서는 여전히 의견이 분분했습니다.
아인슈타인의 유산과 양자역학의 미래
아인슈타인은 통일 이론의 꿈을 실현하지 못한 채 1955년에 사망 했으며 1960년대와 1970년대에 발생하여 양자역학의 숨겨진 변수 가설에 대한 예측을 뒷받침하는 양자 얽힘(quantum entanglement)과 비국소성(non-locality)이 실험적으로 확인되는 것도 목격하지도 못했습니다.
그러나 아인슈타인이 양자역학을 거부했다고 해서 그의 유산이 줄어든 것은 아닙니다. 오히려 그의 반대와 비판은 벨 부등식, EPR 역설, 복제가 불가능하다는 사실과 같은 물리학의 많은 발전과 발견을 자극했습니다.
오히려 그의 반대와 비판은 벨 부등식, EPR 역설, 복제 금지 정리, 양자 정보 이론 등 물리학의 많은 발전과 발견을 촉진했으며 그는 많은 물리학자들이 오늘날에도 여전히 미해결 문제로 남아 있는 양자 중력에 대한 보다 포괄적이고 만족스러운 이론을 찾도록 영감을 주었습니다.
양자역학은 여전히 물리학에서 가장 매혹적이고 수수께끼 같은 이론 중 하나입니다. 양자 역학은 양자 컴퓨팅, 양자 암호학, 양자 계측학, 양자 생물학 등 많은 응용 분야와 함의를 가지고 있습니다. 또한 현실의 본질, 관찰자의 역할, 확률의 의미, 지식의 한계와 같은 많은 철학적, 개념적 문제를 제기합니다.
아인슈타인과 보어는 양자역학에 대해 의견이 달랐지만, 물리학이 자연의 신비를 이해하기 위한 끝없는 탐구라는 점에서는 한 가지에는 동의했습니다.
즉 아인슈타인이 말했듯이 "세상에서 가장 이해할 수 없는 것은 이해할 수 있다는 것입니다 The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible."
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출처:
(1) 아인슈타인은 정말 양자역학을 "수용"하지 않았나요? https://hsm.stackexchange.com/questions/7379/einstein-really-didnt-accept-quantum-mechanics.
(2) 아인슈타인은 왜 양자역학을 받아들이지 않았을까? - 물리학 네트워크. https://physics-network.org/why-did-einstein-not-accept-quantum-mechanics/.
(3) 알버트 아인슈타인 학습 가이드: 양자 이론 | SparkNotes. https://www.sparknotes.com/biography/einstein/section9/.
(4) 양자역학이 여전히 물리학자들을 당황하게 하는 이유 | 디스커버 매거진. https://www.discovermagazine.com/the-sciences/why-quantum-mechanics-still-stumps-physicists.
(5) 양자 이론: 1927 년 아인슈타인 / 보어 토론 | AMNH. https://www.amnh.org/exhibitions/einstein/legacy/quantum-theory.
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