한 아이가 방에서 장난감을 가지고 놀고 있다. 방 안에는 아이가 평소에 좋아했던 블록부터 인형, 미니 자동차, 장난감 총 등 다양한 장난감이 놓여 있다. 아이의 엄마는 방 밖에서 아이가 가지고 놀고 있을 장난감을 추측해본다. 가장 좋아하는 블록을 고를 확률 70%, 인형은 15%, 미니 자동차 5% 등 아이의 행동을 대략 예상해볼 수 있다.

아이가 선택한 장난감을 확인하는 유일한 방법은 방문을 열고 아이의 행동을 직접 관찰하는 것이다. 엄마가 문을 열어보기 전까지 아이가 고른 장난감은 확률로 남아있다. 즉, '불확실'하다.

전자의 운동도 이와 유사하다. 우리는 관측하기 전까지는 전자의 상태를 정확하게 알 수 없다.

◇ 불확정성의 원리: 관측 전에는 상태가 확정되지 않는다

물체를 본다는 것은 물체에 반사된 빛, 즉 빛을 이루는 광자가 우리 눈으로 들어오는 것을 의미한다. 앞서 반복해서 설명했듯 물체를 보기 위해서는 입자가 관측 대상에 부딪혀야 한다. 이때 전자는 크기가 너무 작아 부딪히는 힘에 큰 영향을 받는다.

전자의 위치를 정확하게 파악하기 위해 강력한 에너지의 광자를 사용했다고 가정해보자. 이 경우 전자가 광자와 부딪힐 때 속도가 크게 변해 정확한 속도를 알 수 없게 된다. 반대로 약한 에너지의 광자를 사용하면 전자의 위치를 알 수 없게 된다. 즉, 전자를 관측하기 전까지는 전자의 위치와 속도를 정확하게 알 수 없다. 이를 '불확정성의 원리'라고 한다.

◇ 양자 얽힘이란?


또 다른 예를 들어보자. 색이 없는 알약이 두 개 있다. 두 알약은 빨간색이 될 수도, 파란색이 될 수도 있다. 핵심은 하나가 빨간색이 되면 다른 하나는 반드시 파란색이 된다. 두 알약을 상자에 각각 넣고 하나는 지구에, 하나는 로켓에 태워 우주로 보낸다. 우주에서 상자를 열어보니 파란색 알약이 들어있다. 그러면 지구에 있는 알약은 무슨 색이 될까?

두 알약은 한 알이 결정된 결과에 따라 다른 한 알의 값이 정해지도록 얽혀있다. 우주로 간 알약이 파란색이라면 얽힘 관계에 있는 나머지 한 알은 빨간색이 될 것이다. 이런 신기한 현상을 '양자 얽힘'이라고 부른다.

◇ 얽혀있는 두 전자

다시 미시 세계로 돌아가 양자 얽힘 현상을 이해해보자.

입자는 질량, 전하량, 스핀의 수치로 정의된다. 스핀 값이 0인 입자에 강력한 에너지를 쏴 두 개의 전자로 쪼갰다. 당연히 나눠진 두 개의 전자의 스핀 값을 더하면 0이 돼야 한다. 전자의 스핀 값을 관측한 결과, 하나가 -1/2이라면 나머지 전자의 스핀 값은 +1/2이 된다. 두 전자가 서로 얽혀있기 때문이다.

알약과 마찬가지로 전자 중 하나를 우주로 보내고 나머지 하나를 지구에서 관측한다고 가정해보자. 불확정성의 원리에 따라 관측 전에는 전자의 상태가 정해지지 않는다. 따라서, 지구에서 전자를 관측하는 순간 나머지 전자의 스핀 값도 정해지는 것이다.

차진희 기자 postmoneynews@gmail.com