Locality, Probability and the Relevance of History

현대 물리학의 광활한 풍경 속에서, 두 개의 거대한 기둥이 나란히 서 있지만, 이들은 종종 서로 다른 언어를 사용하는 것처럼 보입니다. 하나는 상대성 이론으로, 빛보다 빨리 움직일 수 있는 것은 아무것도 없으며 원인이 결과에 앞서 엄격하고 국소적인 순서로 존재해야 한다고 가르칩니다. 다른 하나는 양자 역학으로, 미시 세계의 규칙책이며, 입자들이 동일한 국소적 질서를 거스르는 방식으로 먼 거리까지 연결될 수 있는 현실을 묘사합니다. 수십 년 동안 이 긴장은 벨의 정리(Bell's theorem)라고 알려진 유명한 난제로 인해 더욱 날카로워졌습니다. 이 정리는 만약 우주가 상대성 이론의 규칙을 따르고 입자들이 측정되기 전에 확정된 성질을 가지고 있다면, 실험에서 특정 통계적 패턴은 결코 나타나서는 안 된다고 제안합니다. 그러나 전 세계 실험실에서는 실제로 그러한 패턴이 나타납니다. 우주는 국소적 인과관계의 규칙을 깨뜨리는 것처럼 보이며, 물리학자들로 하여가 원인이 국소적이라는 생각을 포기할 것인지, 아니면 우주가 우리가 생각했던 것보다 더 기이하다는 것을 받아들일 것인지 선택하게 만듭니다.

철학자 세바스찬 호르바트(Sebastian Horvat)의 새로운 논문은 이 난제를 바라보는 색다른 관점을 제시합니다. 국소성과 양자 입자의 기이한 행동 사이에서 하나를 선택하는 대신, 호르바트는 우리가 과거가 미래에 영향을 미치는 방식에 대한 이해를 조정해야 할 부분이 있다고 제사합니다. 그는 갈등이 자연이 비국소적이기 때문이 아니라, 우리가 특정한 기술적 의미에서 과거가 현재와 무관하다고 가정해 왔기 때문에 발생한다고 제안합니다. 확률적인 세상에서 '국소적'이라는 것이 무엇을 의미하는지 재정의함으로써, 호르바트는 상황이 어떻게 전개되어 왔는지에 대한 전체 이야기가 우리가 이전에 믿었던 것보다 더 중요하다는 것을 받아들인다면, 양자 현상이 빛의 속도를 위반하지 않고도 완벽하게 국소적일 수 있다고 주장합니다.

이 변화를 이해하려면 먼저 옛 규칙들이 어떻게 쓰였는지 먼저 보아야 합니다. 오랫동안 물리학자들은 어떤 사건의 직전 과거에 일어나는 모든 것을 알 수 있다면, 다음에 무슨 일이 일어날지 정확히 결정할 수 있다고 믿었습니다. 이것이 기능적 결정론(functional determination)의 개념으로, 현재는 직전 과거의 직접적인 결과라는 것입니다. 그러나 양자 역학은 결정론적이지 않습니다. 그것은 확률을 다룹니다. 전자가 어디에 착륙할지 확실하게 말할 수는 없으며, 단지 여러 지점 중 어디에 착륙할 가능성이 높은지만 말할 수 있습니다. 이를 수용하기 위해, 유명한 물리학자 존 벨(John Bell)은 수정된 규칙을 제안했습니다. 그는 과거가 정확한 결과를 결정하지는 못하더라도, 그 결과의 확률은 결정해야 한다고 제안했습니다. 벨의 관점에 따르면, 만약 당신이 직전 과거의 상태를 알고 있다면, 빛이 도달할 수 없는 먼 곳에서 무슨 일이 일어나든 상관없이 이곳에서 어떤 사건이 일어날 확률은 변하지 않아야 합니다. 이것이 "국소적 인과성"에 대한 표준 테스트가 되었습니다.

호르바트는 벨의 테스트가 논리적이기는 하지만, 확률의 세계에 적용될 때 중요한 뉘앙스를 놓치고 있다고 주장합니다. 그는 벨의 규칙이 각 가능한 시나리오를 고립된 상태로 취급한다는 점을 지적합니다. 그것은 "이 특정한 과거를 바탕으로 할 때, 이 미래의 확률은 무엇인가?"라고 묻습니다. 그러나 호르바트는 국소적 결정의 개념을 일반화하는 더 자연스러운 방법은 서로 다른 가능한 역사들 사이에서 확률 자체가 어떻게 서로 관계를 맺는지 살펴보는 것이라고 제안합니다. 그의 관점에서 진정으로 국소적인 이론은 어떤 사건의 확률 분포가 그 사건의 직전 과거에 있는 사건들의 확률 분포에 의해 결정되도록 보장해야 합니다. 이것은 미묘하지만 심오한 변화입니다. 사건이 다른 사건을 결정하거나 사건이 확률을 결정하는 대신, 가능성의 분포가 미래 가능성의 분포를 결정하는 것입니다.

호르바트가 이 새롭고 더 유연한 국소성 정의를 데이터에 적용했을 때, 놀라운 결과가 나타납니다. 벨의 부등식을 위반하는 양자 실험에서 보이는 기이한 상관관계들은 반드시 이 새로운 규칙을 깨뜨리는 것은 아닙니다. 이 위반은 우리가 하나의 추가적인 숨겨진 가정을 고수할 때만 발생합니다. 즉, 역사가 무관하다는 생각입니다. 물리학자들이 흔히 당연하게 받아들이는 이 가정은, 일단 시스템의 현재 상태를 알게 되면, 그곳에 도달하기까지의 구체적인 경로는 미래를 예측하는 데 중요하지 않다는 믿음입니다. 이는 현재의 순간이 필요한 모든 정보를 포함하고 있으며, 과거는 그저 잊혀진 이야기일 뿐이라는 믿음입니다.

호르바트는 이 가정을 버린다면 갈등이 사라진다는 것을 보여줍니다. 그는 어떤 사건의 미래 확률이 현재 상태가 어떻게 도달했는지에 대한 역사에 의존할 수 있다고 제안합니다. 이를 시각화하기 위해, 방 안에 빨간색 정육면체가 나타나는 장면을 상상해 보십시오. 만약 당신이 역사가 무관하다고 가정한다면, 그 정육면체가 어떻게 거기에 왔는지와 상관없이 단지 지금 빨간색 정육면체라는 사실만을 바탕으로 미래의 행동을 예측할 것입니다. 하지만 역사가 중요하다면, 그 정육모면체의 미래는 그것이 빨간색 피라미드로부터 왔는지 혹은 빨간색 구체로부터 왔는지에 따라 달라질 수 있습니다. 양자 세계에서 "빨간색 정육면체"는 측정 결과이며, 그 "역사"는 얽힌 입자들이 현재의 상태에 있게 된 구체적인 사건의 사슬을 포함합니다. 논문은 우리가 보는 상관관계가 공간을 가로지르는 마법 같은 연결이 아니라, 현재의 상태가 그 특정한 기원에 대한 기억을 담고 있다는 결과라고 제사합니다.

이것은 원인이 시간을 거슬러 올라가거나 미래가 과거를 바꾼다는 것을 의미하지 않습니다. 오히려 미래에 일어날 확률이 단지 현재의 스냅샷에 의해서만 고정되는 것이 아니라, 그 스냅샷이 형성된 전체 맥락에 의해 정교해진다는 것을 의미합니다. 논문은 우주가 "마르코프적(Markovian)"이지 않다고 주장합니다. 마르코프적이란 미래가 오직 현재에만 의존하는 시스템을 뜻하는 기술적 용어입니다. 대신, 우주는 자신의 역사에 민감합니다. 어떤 사건의 확률은 그 직전 과거의 사건들에 의해 결정되지만, 그 과거의 확률 분포 자체는 더 깊은 역사에 의해 형성됩니다. 이를 통해 이론은 빛의 속도와 인과의 국소적 성격을 존중하면서도, 양자 역학이 밝혀내는 묘한 연결들을 설명할 수 있습니다.

이 관점의 함의는 우리가 현실을 이해하는 방식에 있어 매우 중요합니다. 이는 아인슈타인이 그토록 싫어했던 "원격 작용(spooky action at a distance)"이 역사의 중요성을 무시함으로써 생겨난 환상일 수 있음을 시사합니다. 만약 우리가 과거가 중요하다는 것을 받아들인다면, 우리는 원인이 국소적이고 빛보다 빠른 것은 없다는 위안이 되는 아이디어를 유지할 수 있습니다. 이 논문은 양자 역학의 모든 미스터리를 해결했다고 주장하거나 우주에 대한 완전한 새로운 이론을 제공하는 것이 아닙니다. 대신, 상대성 이론과 양자 역학 사이의 모순을 제거하는 새로운 논리적 틀을 제공합니다. 그것은 우리가 나아갈 길은 국소성을 포기하는 데 있는 것이 아니라, 우리가 여기에 어떻게 도달했는지에 대한 이야기가 우리가 어디로 가고 있는지를 이해하는 데 필수적임을 인식하는 데 있다고 제안합니다.

결국, 이 연구는 시간과 인과의 본질을 다시 생각하도록 우리를 초대합니다. 그것은 우주가 과거의 실타래가 미래의 확률 속으로 짜여 들어가는 태피스트리라고 제안합니다. 역사가 중요하다는 것을 인정함으로써, 우리는 단지 현재의 순간만이 아니라 과거의 전체 이야기를 경청할 용기가 있다면, 두 가지 거대한 물리적 기둥을 조화시키면서도 원인이 국소적이라는 근본적인 원칙을 희생하지 않고도 양자 세계에 대한 국소적이고 실재적인 이론을 여전히 달성할 수 있다는 가능성을 남겨둡니다.