Bell's go theorem: regaining local causality with a new notion of realism

양자 물리학의 중심에는 수십 년 동안 과학자들을 괴롭혀온 난제가 자리 잡고 있습니다. 어떻게 두 입자가 서로 멀리 떨어져 있음에도 불구하고, 상대방이 무엇을 하는지 즉각적으로 알 수 있는 것처럼 보일 수 있는가 하는 문제입니다. '얽힘(entanglement)'이라고 알려진 이 현상은 원인과 결과에 대한 우리의 일상적인 경험을 거스릅니다. 오랫동안 표준적인 설명은 우주가 '비국소적(non-local)'이어야 한다는 것이었습니다. 즉, 입자들 사이에서 행동을 조율하기 위해 빛보다 빠르게 무언가가 이동하거나, 혹은 우주가 우리로부터 이러한 연결을 숨기도록 정교하게 짜여 있다는 의미였습니다. 이러한 결론은 벨의 정리(Bell's theorem)라는 유명한 결과에서 비롯되었습니다. 이 정리는 만약 우리가 입자들이 측정되기 전에 확정된 속성을 가지고 있다고 가정하고(실재성이라는 개념), 빛보다 빠르게 움직이는 것은 없다고 가정한다면(국소적 인과성), 그들의 행동 통계는 엄격한 한계를 따라야 한다고 시사했습니다. 양자 실험들은 일관되게 이 한계를 깨뜨리며, 물리학자들로 하여가 실재하고 독립적인 세계라는 아이디어를 포기할 것인지, 아니면 자연이 기이하고 빛보다 빠른 영향을 허용한다는 사실을 받아들일 것인지 선택하게 만들었습니다.

로렌초 카타니(Lorenzo Catani), 네스타 반 데르 스하프(Nesta van der Schaaf), 루이 소아레스 바르보사(Rui Soares Barbosa)의 새로운 연구는 이 딜레마의 근간 자체에 도전합니다. 그들은 이 갈등이 자연이 고장 났기 때문이 아니라, '실재'에 대한 우리의 수학적 묘사가 너무 경직되어 있기 때문에 발생한다고 주장합니다. 연구진은 우주의 기본 구성 요소가 모든 가능한 질문에 대해 미리 결정된 답을 가진 고정되고 독립적인 점들이 아니라는 새로운 프레임워크를 제안합니다. 대신, 그들은 실재가 '기록(records)'—즉, 특정 측정의 맥락 안에서만 존재하는 관계적 정보의 조각들—로 이루어져 있다고 제안합니다. 실재가 무엇을 의미하는지를 재정의함으로써, 그들은 빛보다 빠른 신호나 숨겨진 음모 없이도 국소적 원인만을 사용하여 양자 입자의 기이한 상관관계를 설명하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 그들의 작업은 유명한 '불가능성' 증명을 '가능성' 증명으로 탈바꿈시키며, 국소적 인과적 설명이 양자 역학에 대해 가능할 뿐만 아니라 명시적으로 구축될 수 있음을 입증했습니다.

이야기는 지구 반대편으로 보내진 두 친구, 앨리스와 밥이 등장하는 간단한 사고 실험에서 시작됩니다. 그들은 각각 질문을 받고 답을 해야 합니다. 나중에 그들이 답을 비교했을 때, 그들은 완벽하게 상관되어 있음을 발견합니다. 고전적인 세계에서 자연스러운 설명은 그들이 사전에 계획을 세웠거나, 자신들에게 던져질 수 있는 모든 가능한 질문에 대한 완전한 답변 목록을 가졌다는 것입니다. 공통의 과거에 고정된 이 공유된 계획은 그들 사이에 통신이 필요 없이 상관관절을 설명해 줍니다. 그러나 양자 역학은 반전을 가져옵니다. 앨리스와 밥이 던질 수 있는 질문들은 '양립 불가능(incompatible)'합니다. 즉, 동시에 물을 수 없다는 뜻입니다. 앨리스는 입자의 스핀을 한 방향 혹은 다른 방향에 대해 물을 수 있지만, 두 가지를 동시에 물을 수는 없습니다. 양자 이론은 앨리스와 밥의 답변 사이의 상관관계가 그 어떤 사전 합의된 계획이 허용할 수 있는 것보다 더 강력할 것이라고 예측합니다.

수십 년 동안 합의된 견해는 이러한 강력한 상관관계가 친구들이 거리를 가로질러 즉각적으로 서로에게 영향을 미치고 있어 빛의 속도를 위반하거나, 혹은 그들의 선택이 영향력을 숨기도록 비밀스럽게 미리 결정되어 있다는 것이었습니다. 이것이 바로 '미세 조정(fine-tuning)' 문제입니다. 즉, 빛보다 빠른 영향력이 어떤 실험에서도 완전히 보이지 않도록 우주가 매우 정밀하게 배치되어 있어야 한다는 것입니다. 이 연구의 연구자들은 우리가 이를 받아들일 필요가 없다고 주장합니다. 대신, 그들은 '계획' 자체의 본질을 재고해야 한다고 제안합니다. 표준적인 관점에서 계획이란 모든 가능한 질문(심지어 함께 물을 수 없는 질문까지도)에 답을 할당하는 단일하고 보편적인 목록입니다. 새로운 프레임워크는 이러한 보편적 목록의 개념을 거부합니다. 대신, 공유된 과거는 기록의 그물망입니다.

기록을 질문에 대한 완전한 답이 아니라, 특정 질문이 던져졌음을 식별하는 방법으로 상상해 보십시오. 만약 앨리스가 두 가지 다른 시나리오에 나타나는 질문을 던진다면, 기록은 단순히 "이것은 두 경우 모두에서 동일한 질문이다"라고 말할 뿐입니다. 그것은 모든 질문에 답을 할당하는 것이 아니라, 그 질문이 나타나는 구체적인 사례들을 연결할 뿐입니다. 이러한 기록들은 관계적입니다. 즉, 그들이 연결하는 시나리오들 사이의 관계 속에서만 존재합니다. 결정적으로, 이러한 기록들은 모든 답을 동시에 보유하는 수학적 공간의 '점'일 필요가 없습니다. 그것들은 전체의 '부분'으로서, 점으로 구성되지 않고도 존재할 수 있습니다. 이를 통해 동일한 질문이 서로 양립할 수 없는 두 가지 시나리오에서 동일하게 존재하면서도, 그 시나리오들이 하나의 포괄적인 목록으로 병합되도록 강요하지 않을 수 있습니다.

이러한 기록들을 바탕으로 수학적 모델을 구축함으로써, 연구진은 새로운 종류의 국소적 실재를 만들어냈습니다. 이 모델에서 앨리스와 밥 사이의 상관관계는 그들이 공유하는 과거의 기록들에 의해 설명됩니다. 앨리스가 측정을 수행할 때, 그녀의 결과는 그녀의 설정과 그녀가 밥과 공유하는 기록들에 의해서만 결정됩니다. 그들 사이에 신호가 전달될 필요도 없고, 우주가 빛보다 빠른 영향을 숨길 필요도 없습니다. 이 모델은 실험에서 관찰되는 가장 강력한 상관관계를 포함하여 양자 역학이 예측하는 정확한 통계치를 성공적으로 재현합니다. 실제로 연구진은 자신들의 모델이 고전적 한계부터 수학적으로 허용되는 최대치까지 다양한 상관관계를 생성할 수 있음을 보여주었으며, 이는 양자 역학이 달성하는 특정 값을 포함합니다.

이 성공의 핵심은 고전적 확률론으로부터의 탈피에 있습니다. 우리의 일상적인 경험에서는 두 개의 분리된 상황이 있을 때, 결과의 확률들이 직관적인 방식으로 합산됩니다. 하지만 이 새로운 프레임워크에서는, 두 양립 불가능한 상황을 함께 볼 때 확률의 합산 규칙이 변합니다. 상황들이 동시에 일어날 수 없기 때문에 확률들이 단일하고 통합된 설명에 들어맞을 필요가 없습니다. 이러한 표준 확률 규칙의 실패는 오류가 아니라, 국소적 인과율의 규칙을 깨뜨리지 않으면서도 강력한 양자 상관관계를 설명할 수 있게 해주는 특징입니다. 연구진은 공유된 과거의 '가중치'가 이러한 기록들 사이에 배분되는 방식을 통해 양자 예측과 완벽하게 일치하도록 함으로써 이를 입증했습니다.

이 작업은 양자 역학의 모든 미스터리를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 관점의 심오한 변화를 제시합니다. 이는 양자 이론에 흔히 부여되는 '비국소성'이 자연의 근본적인 특징이라기보다는 우리가 실재를 정의하는 방식에서 비롯된 인공물일 수 있음을 보여줍니다. 독립적이고 미리 결정된 단위라는 개념을 관계적 기록의 그물망으로 대체함으로써, 연구진은 국소적 인가적 설명이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 그들은 한때 국소적 실재론을 배제하는 것처럼 보였던 정리를, 그것이 존재할 수 있음을 증명하는 정리로 바꾸어 놓았습니다. 교훈은 우주가 양자적이기 위해서 반드시 음모적이거나 비국소적일 필요는 없다는 것입니다. 우주는 단지 가능한 모든 답에 대한 단일하고 불가능한 목록을 강요하지 않으면서, 알 수 있는 것들을 묶어주는 기록의 관점에서 이해될 필요가 있을 뿐입니다. 이는 양자 이론을 실재적이면서도 미세 조정이 없는 방식으로 재구성하려는 새로운 연구 프로그램의 문을 열어주며, 우리가 사는 세상에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다.