Wigner's Friend Paradox Revisited

우주를 입자들이 역할을 수행하는 궁극적이고 보이지 않는 무대로 상상해 보십시오. 양자 역학의 세계에서 이 무대의 규칙은 유명할 정도로 기이합니다. 왼쪽 경기장이나 오른쪽 경기장에 있는 것이 분명한 야구공과는 달리, 양자 입자는 '중첩' 상태에 있을 수 있는데, 이는 누군가 관찰하기 전까지는 두 경기장에 동시에 존재하는 것과 같습니다. 이러한 '관찰'을 '측정'이라고 부르며, 표준적인 게임의 규칙에서는 관찰하는 행위가 입자로 하여로 하나의 지점을 선택하게 만듭니다. 이 과정을 흔히 '파동 함수 붕괴'라고 부릅니다. 하지만 여기서 까다로운 점이 있습니다. 만약 관찰하는 사람이 밀폐된 방 안에 있고, 다른 사람이 외부에서 지켜보고 있다면 어떻게 될까요? 입자는 방 안의 사람이 관찰할 때 지점을 정할까요, 아니면 외부의 사람이 관찰할 때 정할까요? '위그너의 친구(Wigner's Friend)'라고 알려진 이 퍼즐은 수십 년 동안 물리학자들을 골머리 아프게 해왔습니다. 왜냐하면 이는 두 사람이 동일한 현실을 보고 있음에도 불구하고 서로 완전히 다르고 모순된 진실을 볼 수 있다는 것을 시사하기 때문입니다. 과학이 단일하고 공유된 현실을 설명해야 한다면, 이는 중대한 문제입니다.

페터 라이히어트(Peter Reichert)와 마르쿠스 엔츠(Markus Enz)의 새로운 논문은 이 매듭을 푸는 방법을 제안합니다. 그들은 우주를 모두에게 단일하고 객관적인 무대로 유지하면서도, 우리가 '알고 있는 것'은 사람마다 다를 수 있음을 인정하는, 표준 규칙을 약간 수정한 버전을 제안합니다. 그들은 우주가 관찰자에 따라 마음을 바꾸는 것이 아니라, 인간이 관찰하든 아니든 측정이 일어나는 순간 우주가 결정을 내린다고 제안합니다. 방 안의 '친구'는 확정된 결과를 보고, 아직 엿보지 않은 외부의 '위그너'는 그 결과에 대해 확정된 현실을 가진 것이 아니라 불완전한 정보를 가진 것뿐입니다. 파동 함수의 붕괴를 단순히 우리의 지식이 업데이트되는 과정이 아니라 시스템 자체에 일어나는 실제 사건으로 취급함으로써, 저자들은 우리가 이 모순을 멈출 수 있다고 제안합니다. 그들은 수정된 규칙을 따르면 수학적으로 모순 없이 계산이 성립함을 보여주며, 특정 결과가 나올 확률이 다른 이론들과는 약간 다를 것이라고 예측하여, 향후 누가 옳은지 테스트할 수 있는 방법을 제시합니다.

친구와 관찰자의 이야기

라이히어트와 엔츠가 무엇을 하고 있는지 이해하기 위해, '양자 숨바꼭질' 게임을 해봅시다.

이 고전적인 버전의 게임에서는, 친구(F라고 부릅시다)가 방음이 되고 격리된 실험실 안에 갇혀 있다고 상상해 보세요. 그 안에서 그녀는 앞면과 뒷면의 상태를 동시에 가진 마법 같은 상태의 회전하는 동전을 가지고 있습니다. 그녀는 동전을 던지고 그 결과를 확인합니다. 그녀의 마음속에서 동전은 확실히 앞면(또는 뒷면)으로 떨어졌습니다. 그녀는 진실을 알고 있습니다.

이제 위그너(W라고 부릅시다)가 실험실 밖에 서 있다고 상상해 보세요. 그는 문을 열지도 않았고 안을 들여다보지도 않았습니다. 오래된 양자 규칙에 따르면, 위그너가 아직 보지 않았기 때문에 실험실 전체(친구와 동전을 포함하여)는 여전히 '친구가 앞면을 보는 상태'와 '친구가 뒷면을 보는 상태'가 동시에 존재하는 마법 같은 중첩 상태에 있습니다. 위그너에게 친구는 결정을 내리지 못한 상태입니다. 하지만 친구에게 자신은 결정을 내린 상태입니다. 이것이 바로 퍼즐입니다. 동일한 상황을 보는 두 사람이 서로 다른 현실을 보고 있는 것입니다.

라이히어트와 엔츠는 말합니다. "잠깐만요. 규칙을 아주 조금만 바꿔봅시다."

그들은 이 게임을 해결하기 위해 세 가지 주요 아이디어를 제안합니다:

1. 우주는 하나의 거대한 영화다: 우주에는 단 하나의 진정한 상태가 존재하며, 그것은 누가 보고 있는지에 따라 변하지 않습니다. 그것은 마치 스크린에서 상영되는 영화와 같습니다. 당신이 3D 안경을 썼는지 혹은 뒷좌석에 앉아 있는지에 따라 영화가 변하지 않는 것과 같습니다.
2. '스냅(Snap)'은 어디에서나 일어난다: 측정(친구가 동전을 보는 것과 같은)이 발생하면, 우주는 즉시 확정된 상태로 '스냅(탁 끊기듯 결정)'됩니다. 이는 친구가 밀폐된 방 안에 있고 아직 아무도 그 사실을 모를 때도 마찬가지입니다. 친구의 관찰은 파동 함수를 붕괴시키며, 이는 실제 사건처럼 일어납니다.
3. 지식은 현실과 다르다: 이것이 가장 중요한 부분입니다. 저자들은 실제로 일어나고 있는 일(객관적 상태)과 우리가 그것에 대해 알고 있는 것(우리의 지식) 사이를 엄격하게 구분합니다. 방 안의 친구는 동전이 앞면이라는 것을 압니다. 밖의 위그너는 아직 모릅니다. 하지만 위그너의 지식 부족은 동전이 여전히 공중에 떠서 돌고 있다는 것을 의미하지 않습니다. 그것은 단지 위그너가 추측하고 있다는 것을 의미할 뿐입니다. 그는 맞출 확률이 50/50이지만, 동전은 이미 탁자 위에 놓여 있습니다.

확장된 게임: 두 명의 친구, 두 명의 관찰자

그들이 다른 과학자들(프라우히거와 레너)이 제안한 더 복잡한 버전의 게임을 살펴볼 때 이 논문은 더욱 흥란해집니다. 이 버전에는 두 개의 실험실, 두 명의 친구(F와 F'), 그리고 두 명의 관찰자(W와 W')가 있습니다. 이것은 친구들이 서로 비밀 노트를 전달하는 이중 숨바꼭질 게임과 같습니다.

오래된 역설적인 버전의 게임에서, 수학은 만약 모든 사람이 양자 역학의 규칙을 따른다면, 그들이 결국 설정에는 동의하지만 결과에 대해서는 논리에 어긋나는 방식으로 서로 불일치하는 지점에 도달할 것임을 시사했습니다. 그것은 마치 모든 조각이 완벽하게 들어맞지만, 그들이 보는 그림은 불가능한 형태인 퍼즐과 같았습니다.

라이히어트와 엔스는 이 복잡한 시나리오를 그들의 새로운 규칙으로 실행합니다. 그들은 실험실의 '진정한 상태'와 관찰자들의 '지식'을 단계별로 추적합니다.

• 1단계: 첫 번째 친구가 양자 동전을 던집니다. 우주는 결과(앞면 또는 뒷면)로 스냅됩니다. 친구는 그 결과를 압니다. 다른 관찰자들은 아직 모르므로, 그들이 알고 있는 바에 기초한 확률 분포(추측)를 가집니다.
• 2단계: 동전의 결과는 두 번째 입자가 준비되는 방식을 결정합니다. 두 번째 친구가 이 입자를 측정합니다. 다시 한 번, 우주는 스냅됩니다. 두 번째 친구는 그 결과를 압니다. 다른 이들은 추측을 업데이트합니다.
• 3단계: 외부 관찰자들(W와 W')은 실험실 전체에 대해 특별한 측정을 수행합니다.

여기서 마법 같은 일이 일어납니다. 저자들이 (친구가 측정을 했을 때처럼) 더 이전에 파동 함수가 붕괴되었다고 가정하기 때문에, 수학적 결과는 역설적인 버전과는 다르게 나타납니다. 역설적인 버전에서 외부 관찰자들은 실험실이 여전히 모호한 중첩 상태에 있다고 가정하며, 이는 모순으로 이어집니다. 하지만 이 새로운 버전에서 실험실은 이미 확정된 상태에 있습니다(비록 관찰자들이 그것을 알지는 못하더라도 말입니다).

수치를 계산했을 때, 그들은 특정 '불가능한' 조합의 결과가 나올 확률이 1/4(또는 25%)임을 발견했습니다. 오래된 역설적 분석에서 그 확률은 1/12(약 8.3%)로 계산되었습니다.

이것이 왜 중요한가

저자들은 우주의 미스터리를 영원히 해결했다고 주장하는 것이 아닙니다. 그들은 우리가 파동 함수가 왜, 그리고 어떻로 붕괴하는지 여전히 정확히 모른다는 점을 인정합니다. 그들은 현재로서는 '붕괴'를 하나의 규칙, 즉 더 깊은 이론을 찾기 전까지의 자리 표시자(placeholder)로 취급하고 있습니다. 하지만 이 규칙을 사용함으로써, 그들은 위그너의 친구 역설이 가진 무서운 모순들이 사라진다는 것을 보여줍니다.

그들은 우주가 무엇이 실재하는지를 결정하기 위해 의식 있는 관찰자가 '깨어나기를' 기다릴 필요가 없다고 주장합니다. 측정은 일어나고, 상태는 확정되며, 외부 관찰자에게 변하는 유일한 것은 그 상태에 대한 그들의 지식뿐입니다.

가장 좋은 점은 무엇일까요? 이것은 단순한 철학적 토론이 아닙니다. 그들의 새로운 규칙이 특정 결과에 대해 다른 확률(1/12 대신 1/4)을 예측하기 때문에, 이 아이디어는 실제로 테스트 가능합니다. 만약 미래의 실험이 충분한 정밀도로 이러한 특정 결과들을 측정할 수 있다면, 우리는 우주가 친구가 볼 때 붕괴하는지, 아니면 외부의 관찰자를 기다리는지를 증명할 수 있을지도 모릅니다.

그러니 다음에 숲속에서 나무가 쓰러질 때 소리가 나는지 궁금하다면, 이 논문을 기억하십시오. 나무는 아마도 소리를 낼 것이고(우주는 스냅될 것이고), 만로 당신이 그 소리를 들을 자리에 없다면, 당신은 그저 그 소리가 무엇이었을지 추측해야 할 뿐입니다. 그리고 라이히어트와 엔츠 덕분에, 우리는 곧 우리의 추측이 맞았는지 확인할 방법이 생길지도 모릅니다.