양자역학에서 관찰자 효과

원문: Quantum Mechanics and Dhamma 섹션의 ‘The Observer Effect in Quantum Mechanics’ 포스트

- 2018년 3월 20일 작성; 2022년 4월 20일 개정; 2023년 3월 25일 개정

1. 양자역학에서 ‘관찰자 효과’(때로는 ‘측정 문제’라고도 함)는 파동함수 붕괴가 발생하는 방식(또는 발생 여부)의 문제입니다. 그러나 전체적인 요지는 이 포스트에서 설명하는 것처럼, ‘파동함수 붕괴’가 필요하지 않다는 것입니다.

• * ‘파동함수 붕괴’의 의미부터 시작하겠습니다. 항상 기본에서 시작하는 것이 좋습니다.

• * 이전 포스트인 ‘양자역학은 의식을 설명할 수 있을 것인가?’를 읽어 보세요. ‘주관 대 객관: 마음과 물질 사이의 차이’ 부분을 포함하여 정독할 필요가 있습니다.

2. 양자역학에서 파동함수는 슈뢰딩거 방정식에 따라 서로 다른 상태의 선형 중첩으로 결정론적으로 진화합니다. 그러나 실제 측정은 항상 명확하고 잘 정의된 상태에서 물리적 시스템을 찾습니다. 따라서, 측정시에, 그 모든 다중 상태는 하나(관측된 것)로 붕괴(와해)될 것입니다.

• * 관찰자는 측정을 수행해야 하므로(따라서 ‘붕괴를 유발’), 이것을 ‘관찰자 효과’라고 합니다.

3. 그런 ‘관찰자 효과’가 존재한다 하더라도, 측정을 하겠다는 결정만으로 ‘양자역학은 의식을 설명할 수 있을 것인가?’ 포스트에서 ‘주관적’이라는 용어를 정의한 면의 그런 ‘주관적’ 측정을 하는 것이 아닙니다.

• * 관찰자의 ‘개인적인’ 정신 상태가 역할을 하지 않기 때문에 ‘측정 문제(관찰자 효과)’는 없습니다.

• * 이러한 양자 시스템에서는 주어진 결과의 확률만 계산할 수 있습니다. 측정을 많이 수행하면, 그 결과는 그 예측과 일치할 것입니다.

• * 이것은 주사위를 던지는 것과 매우 유사합니다. 주사위의 면이 6개이기 때문에 6번 중 1번 정도 ‘5’에 나올 것이라고 말할 수 밖에 없습니다.

• * 누구나 그런 측정을 시작할 수 있으며 동일한 결과를 얻을 수 있습니다. 더욱이, 주어진 실험은 컴퓨터 프로그램으로 실행할 수 있으며 의식적인 관찰자는 필요하지 않습니다.

4. 이 ‘관찰자 효과’에 대한 이 논쟁은 처음에 파동함수가 ‘온틱(ontic)’, 즉 그 안에 입자에 대한 모든 정확한 정보가 있다는 가정 때문에 일어납니다.

• * 그러나 이 가정은 벨(Bell)을 포함하여 아인슈타인(Einstein)과 다른 많은 사람들에 의해 거부되었습니다. “..슈뢰딩거 방정식에 의해 주어진 것과 같이 파동함수는 전부가 아니거나 옳지 않다.” (참고 문헌 1의 Bell 저, 1987년, p. 201).

5. 더욱이, ‘파동함수 붕괴’ 또는 ‘관찰자’의 개입에 대한 이러한 요구 사항은 보미안 역학(Bohmian mechanics)에는 없습니다. 보미안 역학은 1927년 Louis de Broglie에 의해 발견되고 1952년 David Bohm에 의해 재발견된 양자 이론의 한 버전입니다(참고 문헌 2의 Bohm 저, 1952년 참조).

• * 보미안 역학에서 입자 시스템은 슈뢰딩거 방정식에 따라 평소와 같이 진화하는 파동함수로 부분적으로 묘사됩니다. 그러나 입자의 실제 위치는 ‘파일럿파(pilot wave)’ 또는 ‘안내파(guiding wave)’로 특정(구체화)하여 완전히 설명됩니다. 보미안 역학은 입자의 궤적을 실시간으로 추적하며, ‘파동함수 붕괴’가 필요하지 않습니다.

6.  '관찰자 효과' 개념으로 이끈 핵심 실험은 유명한 ‘이중 슬릿 실험(double-slit experiment)’입니다.

• * 그러나, 최근의 이중 슬릿 실험(참고 문헌 5의 ‘Kocsis 외 공저, 2011년’; 참고 문헌 10의 ‘Schleich 외 공저, 2013b’을 참조)에서 입자의 개별 궤적을 모니터링했으며, ‘마음 효과’, 즉 ‘관찰자 효과’의 모든 가능성이 배제되었습니다.

• * 그것들의 결과는 보미안 역학으로 계산된 개별 입자의 궤적과 일치했습니다.

7. 보미안 역학은 모든 가능한 경로를 자연스럽게 묘사합니다. 각각에 확률이 할당될 수 있으며 실험 결과는 해당 확률과 일치합니다.

• * 따라서, 측정은 다음과 같은 방식으로 결정론적입니다. 결과는 일련의 측정에서 예측과 서로 잘 맞습니다. 그러한 측정은 객관적입니다.

• * 보미안 역학에 대한 자세한 설명은 참고 문헌 4의 ‘Durr, Goldstein 및 Zanghi 저, 1992년’을 참조하세요.

• * 다음 비디오는 보미안 역학에 대한 좋은 모델을 제공합니다(링크를 제공한 dosakkhaya님에게 감사드립니다).

https://youtu.be/WIyTZDHuarQ 

8. 물리학자들은 보미안 역학을 사용하는 것이 더 많은 작업(파일럿파 방정식 풀기)을 필요로 하기 때문에 많이 사용하지 않았지만, 최근 몇 년 동안 새로운 관심이 생겼습니다.

• * 과학 인용 조사(Science Citation Index)로 문헌 조사를 했는데, 보미안(Bohmian) 역학에 대한 관심이 세기의 전환기(21세기로 전환)를 시작으로 가속화된 것으로 보였습니다. 1992년부터 1999년까지 총 (논문) 발표 수는 52편이였습니다. 2000~2005년, 2006~2011년, 및 2012~2017년에는 각각 134, 174, 200편의 논문이 발표되었습니다. 따라서 주목을 받기까지는 시간이 걸렸지만, 이제는 보미안 역학이 주목받고 있는 것 같습니다.

9. 더욱이, 일련의 최근 논문들은 고전역학과 양자역학 사이의 멋진(아름다운) 관계를 설명했습니다. 예를 들어, 참고 문헌 7의 ‘Field 저, 2011년’; 참고 문헌 11의 ‘Taylor 저, 2003년’, 참고 문헌 8의 ‘Hanc 외 공저, 2003년’과, 이 내용을 처음에 가리켜 보인 참고 문헌 6의 ‘Feynman 저, 1948년’을 참조하세요.

• * 이 논문들과 다른 논문들은 파인만(Feyman)이 양자역학(참고 문헌 6의 ‘Feynman 저, 1948년’ 참조)에서 ‘모든 가능한 경로의 합’이 어떻게 0에 접근하는 한계 h(플랑크 상수)에서 고전 역학의 ‘최소 작용 경로’로 수렴하는지를 보여줍니다. 따라서 고전역학은 양자역학의 제한적인 경우일 뿐입니다.

10. 다른 사람들은 슈뢰딩거 방정식이 어떻게 고전역학에서 자연스럽게 도출되는지(나오는지)를 설명했습니다(참고 문헌 3의 ‘de Gosson 및 Hiley 저, 2011년’; 참고 문헌 7의 ‘Field 저, 2011년’; 참고 문헌 9의 ‘Schleich 외 공저, 2013a’을 참조).

• * 소위 ‘양자 기이함(quantum weirdness)’은 방정식의 ‘h(플랑크 상수)’가 미시 영역에서 무시할 수 없는 때에, 무시할 수 없는 하이젠베르크 불확정성 원리의 효과로 인해 발생합니다.

11. 그러므로, 양자역학 실험에서는 인간의 의식과 관련이 없습니다. 양자역학 실험은 관찰자의 ‘의식 상태’에 종속되거나 관련조차 되지 않는 일관된 결과를 항상 제공합니다.

• * ‘개인적’이거나 주관적 의식 마음이 필요하지도 않습니다. 컴퓨터 프로그램은 측정을 시작/종료할 때를 임의로 결정하고 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.

양자 현상은 기이한 것일 수 있으나 마음과는 아무 관련이 없다

상대성 이론의 일부 현상과 마찬가지로, 양자 현상은 1900년에야 밝혀졌고 흔히 일어나는 것이 아니기 때문에, 우리에게 ‘특이한(비정상적인)’ 것으로 보입니다. 그러나 그것들은 모두 작은 스케일의 비활성 물질의 거동(양자 현상)과 빛의 속도에 접근하는 속도(상대성)를 포함합니다. 이 특이한(비정상적인) 거동은 인간의 의식과 아무 관련이 없습니다. 그것은 자연이 미시 영역에서 작동(작용)하는 방식입니다.

[1] 다음 두 가지 문제를 분리할 필요가 있습니다.

(i) 양자 현상은 고전(뉴턴) 시스템에서 나타나는 현상과 매우 다른 특성을 나타내는가?

(ii) 양자 현상은 정신 현상과 관련이 있다는 어떤 증거가 있는가?(즉, 그것들은 실험자의 특정한 정신 상태에 영향을 받는가?).

[2] 위의 (i)에 대한 대답은 명백히 ‘그렇다’입니다. 아래에서 논의된 실험은 뉴턴/고전 시스템에서 나타나는 현상과는 이질적인 특성을 가지고 있습니다.

• * 그러나 양자역학은 그 점에서 혼자가 아닙니다. 두 가지(특수/일반) 상대성 이론도 또한 고전 현상이 잘 맞지 않는 현상에 적용되는데, 시간 확장(time dilation)과 길이 수축(length contraction)이 두드러진 예입니다.

[3] 상대성 이론과 양자역학 모두에서, 관찰자의 정신 상태는 역할을 하지 않습니다.

• ( 예를 들어, 상대성 이론은 어떤 사람이 로켓을 타고 떠나서 오랫동안 빛의 속도에 가까운 속도로 여행했다가 돌아오면, 그 사람은 지구에 있는 사람들이 자신보다 훨씬 더 늙었다는 것을 알게 될 것이라고 예측합니다. 그것을 시간 확장(time dilation)이라고 합니다.

• * 그러나, 두 사람이 특정 시간 동안 비슷한 속도로 여행하고 돌아오면, 그 두 사람이 경험하는 시간 확장(time dilation)은 동일할 것입니다.

• * 같은 식으로, 두 명의 다른 사람이 어떤 그 ‘기이한’ 양자 역학  실험을 하면, 그들은 동일한 결과를 얻을 것입니다.

[4] 양자역학과 상대성 이론의 두 경우 모두, 그 결과는 고전적 기준에 따르면 ‘기이할’ 것입니다. 그러나 ‘관찰자의 의식’은 관여하지 않습니다. 양자역학의 ‘겉보기 기이함(apparent weirdness)’은 플랑크 상수(h)가 무시할 수 있을 정도로 작아지면(그리고 상대성 이론에서는 속도가 낮을 때) 부드럽게 사라집니다.

• * 관찰자의 주관성이 어느 유형의 실험 결과에 영향을 미친다는 ‘마음 효과’, 즉 ‘관찰자 효과’는 없습니다. 실험 중에 내려지는 주관적인 결정은 없습니다.

• * 본질적으로, 실험자가 진짜로 객관적이지 않으면 실험 결과는 재현될 수 없습니다.

[5] 즉, 모든 양자 현상과 상대성 이론으로 설명되는 현상은 고전 현상과 마찬가지로 객관적입니다.

• * 반면에, 마음 현상은 주관적일 수 있습니다. 앞서 논의한 바와 같이, 물질의 물리적 특성(속성)을 기술할 때 두 사람은 객관적일 수 있는데,  즉, 그들은 물체에 대해 동일한 길이, 무게 등을 보고합니다. 그러나 특정 사람 X가 음식 또는 음악 등에 대해 인식하는 것은 매우 다를 수 있는데, 그것들은 주관적인 것입니다.

• * 예를 들어, 정치적 견해가 반대인 두 사람(A와 B)을 생각해 보세요. 그 두 사람이 A와 같은 견해와 잘 맞는 정치인 C를 만났을 때, 사람 A는 C를 만나면 기뻐할 것이고 C에게 다가가 악수를 하고 열의를 가지고 이야기를 나눌 것입니다. 반면에 사람 B는 자동적으로 C에 대해 짜증나는 생각을 가지고 C를 피할 가능성이 높을 것입니다.

• * A와 B에 있는 뉴런의 어떤 특성(속성)이 동일한 사람을 볼 때 감정(느낌)과 의도(의식)에 그런 엄청난 차이로 이어질 수 있을까요?

• * 그런 주관적인 정신 상태는 양자(현상)이든 고전(현상)이든 실험을 수행하는 데 역할을 하지 않습니다. 그러나 그것들은 일상 생활에서 결정을 내리는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

[6] 그러므로, 그 두 가지 문제는 별도로 다루어야 합니다. 양자 현상은 고전 현상과 매우 다른 특성을 갖지만 양자 현상과 고전 현상은 모두 객관적입니다. 양자 현상이 주관적 의식과 관련이 있다는 증거는 없습니다.

• * 여기서 우리가 깨달아야 할 매우 중요한 구별은 그런 양자역학 실험에 적용된 ‘비결정론적(non-deterministic)’이라는 구절이 올바르지 않다는 것입니다. 예를 들어, 일부 측정은 입자의 정확한 위치를 알려주지 않을 수 있습니다. 그 입자에 대해 가능한 위치가 많이 있을 수 있지만, 연관된 확률로 모두 정확하게 예측할 수 있습니다.

• * 그 실험들은 하이젠베르크의 불확정성 원리(Heisenberg uncertainty principle)에 의해 묘사된 불확정성 외에는 ‘본질적인 주관성’이 없습니다. 동일한 조건에서 동일한 조사를 수행하면 동일한 결과가 나타납니다. 누가 실험을 하든 상관없습니다. 즉, 실험자의 의식이 [그 실험에] 역할을 하지 않습니다.

이 양자역학 포스트들에 대해 질문이 있으면 토론 포럼의 Quantum Mechanics – A New Interpretation에서 논의할 수 있습니다.

참고 문헌

1. Bell, J. S. (1987년), Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge University Press.

2. Bohm, D. (1952년), A suggested interpretation of the quantum theory in terms of “hidden” variables, I and II, Physical Review, vol. 85, pp. 166-179, and pp. 180-193.

3. de Gosson, M. A., and Hiley, B. J., (2011년), Imprints of the quantum world in classical mechanics, Found. Phys., vol. 41, pp. 1415-1436.

4. Durr, D., Goldstein, S., and Zanghi, N. (1992년), Quantum equilibrium and the origin of absolute uncertainty, Journal of Statistical Physics, vol. 67, pp. 843-907.

5. Kocsis, S. et al., (2011년),  Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer, Science,  vol. 332, pp. 1170-1173.

6. Feynman, R. P. (1948년), Space-time approach to non-relativistic quantum mechanics, Review of Modern Physics, vol. 20, pp. 367-387.

7. Field, J. H. (2011년), Derivation of the Schrōdinger equation from the Hamilton-Jacobi equation in Feynman’s path integral formulation of quantum mechanics, European Journal of Physics, vol. 32, pp. 63-87.

8. Hanc, J., Tuleja, S., Hancova, M., (2003년), Simple derivation of Newtonian mechanics from the principle of least action, American Journal of Physics, vol. 71, pp. 386-391.

9. Schleich, W. P., Greenberger, D. M., Kobe, D. H., and Scully, M. O. (2013a), Schrōdinger equation revisited, PNAS, vol. 110, pp. 5374-5379.

10. Schleich, W. P., Freyberger, M., Zubairy, M. S. (2013b), Reconstruction of Bohm trajectories and wave functions from interferometric measurements, Physical Review A, vol. 87, 014102.

11. Taylor, E. F., (2003년), A call to action, American Journal of Physics, vol. 71, pp. 423-425.