What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

물리학은 오랫동안 서로 다른 언어를 사용하는 것처럼 보이는 두 진영으로 나뉘어 왔습니다. 한쪽에는 입자가 동시에 여러 상태로 존재할 수 있고 무언가를 관찰하는 행위가 그 대상의 상태를 변화시키는 것처럼 보이는 아주 작은 세계의 규칙인 양자역학이 자리 잡고 있습니다. 다른 한쪽에는 시공간이 유연하며 어떤 물체의 위치는 다른 것과 비교될 때에만 의미를 갖는, 중력과 거대 세계의 이론인 일반 상대성 이론이 자리 잡고 있습니다. 수십 년 동안 물리학자들은 두 이론 모두 '관계성(relationality)'이라는 개념, 즉 속성이 우주의 절대적인 사실이 아니라 사물 사이의 관계라는 개념에 크게 의존하고 있다는 점을 주목해 왔습니다. 중력의 세계에서 물체의 위치는 시계나 이정표 같은 기준점이 없으면 무의미합니다. 양자 세계에서도 입자의 상태는 종종 그것을 측정하는 주체가 누구인지에 따라 달라집니다. 그러나 이러한 관계성에 대한 공통된 의존성에도 불구하고, 두 이론은 완강하게 분리된 상태로 남아 있었으며, 그들이 말하는 '관계성'이 실제로 같은 것인지 아니면 단지 용어의 우연한 일치인지 여부는 불분명했습니다.

에밀리 애들럼(Emily Adlam)의 새로운 논문은 대담한 통합을 제안합니다. 즉, 양자역학의 관계적 성질은 미시 세계만의 기이하고 독특한 특징이 아니라, 상대성 이론에서 발견되는 것과 정확히 동일한 현상이라는 것입니다. 저자는 양자 상태가 관찰자에 따라 변하는 것처럼 보이는 이유가, 방향이나 위치처럼 본질적으로 상대적인 속성을 기술하기 때문이라고 제사합니다. 이 관점에서 양자 상태는 입자의 절대적인 실재를 기술하는 것이 아니라, 그 입자가 특정 기준 체계와 맺고 있는 관계를 기술하는 것입니다. 이는 마치 나침반 바늘이 주변의 자기장과 비교될 때에만 의미를 갖는 것과 같습니다. 만약 이 아이디어가 성립한다면, 이는 가능성의 세계로부터 어떻게 하나의 확정된 실재가 출현하는지에 대한 깊고 혼란스러운 수수께끼, 특히 양자 물리학의 난제를 해소할 수 있을 것입니다.

이 논증을 이해하려면 먼저 두 가지 유형의 물리량의 차이를 파악해야 합니다. 물리학에서 어떤 사실들은 절대적이고 불변하지만, 어떤 것들은 '부분적'입니다. 부분적 관측량(partial observable)은 측정이 가능하지만 반드시 기준과 연결되어야만 의미를 갖는 양입니다. 예를 들어, 자동차가 시속 60마일로 달리고 있다고 말하는 것은 부분적 관측량입니다. 그것은 도로에 상대적으로만 참입니다. 속도 그 자체는 고립된 상태의 자동차가 가진 고정된 속성이 아닙니다. 반면, '완전한(complete)' 관측량은 특정 순간 특정 나무와의 거리처럼 완전하고 자립적인 사실입니다. 상대성 이론에서 물리학자들은 우리가 오직 부분적 관측량만을 측정할 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 우리는 절대적인 속도나 절대적인 방향을 측정할 수 없으며, 오직 우리의 측정 도구와 어떻게 관계 맺는지만을 측정할 수 있습니다.

애들럼은 상대성 이론의 이 확립된 사실을 양자 영역에 적용합니다. 그녀는 우리가 지금까지 기술하거나 측정한 모든 양자 상태가 부분적 관측량을 기술한다고 주장합니다. 물리학자가 입자의 스핀에 대한 양자 상태를 적을 때, 그들은 우주에서 스핀이 가리키는 절대적인 방향을 기술하는 것이 아닙니다. 대신, 그들은 측정 장치에 의해 정의된 특정 축에 대한 스핀의 방향을 기술하는 것입니다. 논문은 두 관찰자가 입자가 단일 상태로 붕괴했는지 혹은 중첩 상태로 남아 있는지에 대해 서로 의견이 일치하지 않는 사고 실험인 '위그너의 친구(Wigner's Friend)' 역설이, 단순히 두 관찰자가 서로 다른 기준 축을 사용하기 때문에 발생한다고 제안합니다. 한 관찰자는 자신의 실험 장비에 상대적인 입자를 기술하고 있고, 다른 관찰자는 다른 프레임에 상대적인 입자를 기술하고 있는 것입니다. 저자는 두 사람 모두 단순히 서로 다른 관계를 보고하고 있는 것이기에 모순이 없다고 주장합니다.

논문은 대칭 변이적 속성(관점에 따라 변화하는 속성)의 양자 상태는 항상 상대화되어야 함을 보여줌으로써 이 논거를 구축합니다. 만약 당신이 기준 체계 없이 양자 상태를 기술하려고 시도한다면, 그 기술은 입자의 상태에 대한 구체적인 정보를 모두 잃어버린 무질서하고 일관성 없는 혼합물이 됩니다. 그러나 자석에 의해 정의된 특정 방향과 같은 기준 체계를 도입하면, 양자 상태는 명확하고 일관된 형태로 고정됩니다. 저자는 다른 연구자들이 개발한 틀을 사용하여, 두 체계 사이의 관계는 확정적이고 중첩되지 않은 사실인 반면, 다른 체계에 대한 한 체계의 상태는 중첩 상태로 나타날 수 있는 상황이 수학적으로 일관됨을 입증합니다. 이는 양자 중첩의 '기이함'이 실재 자체의 특징이 아니라, 우리가 기준점을 향해 사물을 기술하는 방식의 특징일 수 있음을 의미합니다.

이러한 관점은 양자 시스템이 여러 상태에 있는 것처럼 보임에도 불구하고 왜 우리가 하나의 결과만을 목격하는지를 설명하는 오랜 난제인 '측정 문제'를 바라보는 새로운 방식을 제공합니다. 표준 양자역학에서 중첩된 가능성들로부터 단일한 결과로의 전이는 흔히 파동함수의 '붕로(collapse)'로 설명되는데, 이는 수학적으로 급격하고 물리적으로 신비로운 과정입니다. 애들럼은 이 붕괴가 갑작스럽고 마법 같은 사건이 아니라, 부분적 관측량과 기준 체계 사이의 상호작용에 따른 자연스러운 결과라고 제안합니다. 양자 시스템이 측정 장치와 강하게 상호작용할 때, 그 시스템은 더 이상 단순히 상대적 속성들의 집합이 아닙니다. 그것은 기준 프레임과 얽히게 되어 양자적 진화의 선형 법칙을 깨뜨립니다. '붕괴'는 시스템을 기준 프레임으로부터 독립된 것으로 취급하려는 근사가 실패하는 바로 그 순간입니다.

이 논문은 측정 문제를 완전히 해결했다고 주장하는 것이 아닙니다. 언제 붕괴가 일어나는지를 예측하는 새로운 방정식을 제시하거나, 상대적인 양자 세계와 절대적인 고전 세계를 연결하는 물리적 메커니즘의 완전한 모델을 제공하는 것도 아닙니다. 대신, 저자는 해결책이 양자역학은 부분적 관측량에만 적용되는 반면, 우리가 보는 확정적인 결과들은 완전한 관측량이라는 점을 인식하는 데 있다고 제안합니다. 저자는 우리가 부분적 관측량만을 측정할 수 있기 때문에, 완전한 관측량의 양자 상태를 결코 본 적이 없다고 주장합니다. 두 곳에 동시에 존재할 수 있는 능력과 같은 양자역학의 기이한 행동은 오직 상대적이고 대칭 변이적인 양들에만 적용됩니다. 우리가 경험하는 확정적이고 단일한 결과들은 이러한 상대적 양들이 기준 체계와 결합될 때 나타나는 불변의 완전한 사실들입니다.

양자적 관계성과 상대론적 관계성이 하나라는 제안을 통해, 이 논문은 한 세기 동안 물리학을 갈라놓았던 간극을 메웁니다. 이는 우주가 절대적이고 독립적인 객체들로 이루어진 것이 아니라, 관계들로 이루어져 있음을 시사합니다. 양자 상태는 입자의 영혼에 대한 스냅샷이 아니라, 관찰자에 대한 입자의 태도에 대한 기술입니다. 이 관점은 우리에게 실재하는 객관적 세계라는 개념을 버릴 것을 요구하는 것이 아니라, 오히려 그 세계를 연결의 네트워크로 재정의합니다. 논문은 이러한 연결이 어떻게 형성되고 깨지는지를 완전히 설명하기 위해 더 많은 작업이 필요하지만, 앞으로 나아갈 길은 절대적인 양자 상태를 찾는 것이 아니라 우리가 실제로 측정할 수 있는 양들의 구체적이고 관계적인 성질을 이해하는 것이라고 결론짓습니다. 그렇게 함으로써, 이 논문은 왜 양자 세계가 그토록 기이하게 보이는지에 대해 조용하고 논리적인 설명을 제공합니다. 그것은 우리가 상대적인 것들을 마치 절대적인 것처럼 기술하려고 하기 때문에 기이한 것입니다.