[속보] 노벨물리학상 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 자일링거 연구 소개

 

방금 노벨 물리학상 수상자가 확정되었습니다.

그런데 프랑스어로 묵음이 들어 있어 '알랭 아스페'로 읽어야 하는데, 우리나라에서는 알랭 아스펙트라고 소개하네요 ㅋㅋㅋㅋㅋ 

이 세 분의 물리학자는 양자 얽힘에 대한 연구로 유명합니다. 셋 다 양자역학의 거두인데요, 벨 부등식이라는 것과 관련해서 혁혁한 연구 성과를 내신 분들입니다. 

 

자, 벌써 머리가 아파오지요? 제가 저 셋 중 알랭 아스페의 연구를 한번 알기 쉽게 정리해 드리겠습니다. 제가 양자역학에 관심이 많거든요~ 물론 저는 문과생이라 깊게 알지는 못하니, 그저 의의 정도만 설명하는 것에서 그치고자 합니다.

 

일단 이 아스페의 업적을 알기 위해서는 EPR 역설이라는 것을 알아야 합니다.

EPR역설이란, 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 머릿글자를 딴 사고 실험입니다.

 

 

이것은 쉽게 이야기하면 한 쪽에 있는 양자가 우주의 다른 지점에 있는 양자와 서로 연관되어 있다는 양자역학의 주장을 반박하는 사고실험입니다.

아인슈타인은 양자역학을 매우 싫어하여, 그것을 반박하려고 수많은 사고실험을 했는데요, 이 EPR 역설도 그중 하나입니다.

 

양자역학에서는, 어떤 작은 입자를 관측할 때까지 그 상태를 정확히 알지 못한다고 주장합니다. 이는 관측과 동시에 그 상태가 확정된다고 주장하는 것과 다를 바 없습니다.

아인슈타인은 이 아이디어가 황당하다고 생각했죠. 그래서 이런 도발적인 질문을 양자역학자들에게 던집니다.

 

"만약 어떤 원자가 광자를 두개 내보내서 서로 반대 방향으로 멀어져 갔다고 해보자. 한 쪽 상자에 광자 하나, 우주 멀리 다른 쪽 상자에 또다른 광자 하나가 포집되었다. 자, 이제 한 상자를 열어서 상태가 확정되었다고 해보자. 그러면 나머지 상자의 광자도 자동적으로 상태가 확정된다는 말이냐?"

이런 도발적인 질문이었죠. 아인슈타인은 이를 '유령의 원격작용'이라고 불렀습니다. 한마디로 관측에 의해서, 저 멀리 떨어져 있는 다른 광자가 마치 이쪽의 관측을 아는 듯이 행동하는 것이기 때문이었죠. 아인슈타인은 이런 '양자얽힘 현상'은 불가능하다고 생각했습니다.

 

처음에는 양자역학자들도 당황하였죠. 그들도 저 질문에 대답을 할 수 없었거든요. 하지만 장비가 발달하면서, 이러한 사고실험을 직접적으로 해볼 수 있게 되었습니다. 그리고 그 실험의 중심에, 알랭 아스펜이 있었습니다.

 

1980년대 초반, 알랭 아스페가 이끄는 프랑스 물리학자 팀은 대단히 복잡한 실험을 하게 됩니다. 그 실험장치를 간단하게 도식적으로 표현하면 아래와 같습니다.

 

칼슘에서 발생한 기체는, 원자들을 상자 안으로 이동시킵니다. 상자에 도달하기 전에 칼슘원자는 레이저 광선을 쏘이게 됩니다. 이 광선은 불안정해진 원자에 자신의 에너지를 전해줍니다. 이런 상태로 상자에 도착한 원자는 눈 깜짝할 사이에 두 개의 광자로 쪼개지면서 에너지를 다시 잃어버리지요. 두 광자는 각각 반대 방향으로 상자를 벗어나 필터를 거쳐 측정기에 도달합니다.

 

자, 다시 그림을 보면서 다시 한번 설명드 립니다., 칼슘 원자는 레이저광선을 통해 불안정한 상태로 상자 안으로 유입됩니다. 그러나 상자 안에서는 곧 원래 상태로 돌아가고, 두 개의 광자를 방출합니다. 광자는 각각 편광필터로 유도됩니다. 필터 뒤에 설치된 탐지기는 광자가 필터를 통과했는지 여부를 기록합니다. 광자가 필터를 통과하면 1, 통과하지 않으면 0으로 기록됩니다.

 

자, 이 실험을 한 결과가 어땠을까요?

 

네, 이 실험 결과 아인슈타인이 틀린 것으로 판명되었습니다. 서로 헤어진 광자는, 서로 떨어져 있으면서도 마치 서로 영향을 주고 받는 듯이 행동했습니다. 정말 매우 놀라운 결과죠!

 

우리의 직관을 완전히 배반하는, 양자역학의 놀라움이 드러나는 순간이었습니다.

이렇게 양자역학에서 대단히 선구적인 연구를 했기 때문에, 이 아스펜을 비롯한 세 연구자가 노벨물리학상을 받은 것입니다.

당연히 받아야 할 분들인데, 오히려 늦게 받았다는 생각이 드는군요. 이 실험이 나온 것도 무려 40년 전이거든요.

 

이상 노벨물리학상을 받은 분들에 대한 정보를 소개해 드렸습니다.