양자란, 물리량의 최소 단위이다. 빛의 정체라고 일컬어지는 ‘광자’ 같은 소립자가 구성하는 양자의 세계에서는, 우리들의 상식으로 생각하면 말도 안 되는 일들이 일어난다. 예를 들자면, 상태가 순간 이동하는 ‘양자 텔레포테이션’이나, 물체를 통과하는 ‘터널 효과’라는 현상이 유명하다. 그리고 최근에 와서는 시간의 벽마저 무너뜨리려 하고 있다.
*미래가 과거에 영향을 준다고? (뭥미?)
물리학 전문지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 게제된 연구에 따르면, 양자의 세계에서는 시간의 흐름이 일방통행이 아니라, 과거에서 미래, 미래에서 과거로 흐른다고 한다. 다시 말해, 미래의 상황이 과거에 영향을 주는 꼴이다.
이것을 우리의 현실 세계에 적용해 보면, 현재의 스스로의 행동은, 미래의 자신의 결정에 영향을 받고 있다는 말이 된다. (이것이 진실이라면 미래로 가서 나를 죽이고 돌아 오겠다!)
발표된 논문에 따르면, 워싱턴 대학의 케타 마치 교수팀은 양자의 상태를 측정한 후에 그 결과를 비밀로 하고, 결과를 두 가지 방법으로 예상하도록 하는 실험을 행했다고 한다. 그랬더니, 시간이 과거에서 미래로 일방적으로 흐른다는 일반적인 전제하에서의 예상은 50%정도의 적중률을 보인데 반해, 시간이 과거와 미래 어느 쪽으로도 흐를 수 있다는 전제 하에서의 예상에서는 적중률이 90%를 넘은 것이다. 이 사실을 좀 더 자세히 이해하기 위해서, 양자의 특성을 확인해 보도록 하자.
양자는 극도로 작기 때문에 그 상태를 정확히 파악 할 수 없다. 게다가, 복수의 상태로 공존하고 있어서 어디까지나 확률로만 그 상태를 표시할 수 있다. 그리고, 측정하는 순간! 복수 상태의 공존이 무너져 하나가 되어버리는 기묘한 성질이 있다. (이중슬릿 실험 참조)
마치 주사위에 1에서 6까지 숫자가 공존하는데 어떤 숫자가 나올지는 던지기 전까지 확률적으로만 말 할 수 있는 것과 비슷하다. 만약, 주사위를 던지기 전에 던지는 속도, 방향, 각도, 힘, 공기저항, 바닥의 탄력 같은 것을 한치의 오차도 없이 계측해서 계산 할 수 있다고 하면, 던지기 전에 어떤 숫자가 나올지 알 수 있을 지도 모른다. 예를 들어 그렇다는 것이다.
즉, 주사위는 1에서 6까지 숫자가 각각의 상태로 공존하는 것이다. 이와 같이 양자도 측정할 때까지 그 상태를 확률적으로만 알 수 있다. 그리고 측정한 순간 그 상태가 결정된다.
이 확률은 ‘보른의 해석규칙(Born Rule)’ 이라는 원리로 얻어지는데, 그에 따른 양자 상태의 예측은 요번 연구에서, 실제 측정결과 대비 50% 정도의 적중률을 보였다.
*’약측정(weak measurement)’으로 90% 확률로 예측이 적중
마치 교수팀은, 상기의 예측법에 약측정이라는 최근 주목되기 시작한 방법을 추가해, 특수한 예측을 실시했다.
통상의 예측에서는 양자의 특성인 복수 상태의 공존을 깨트려 버리지만, 약측정이라는 방법에서는, 이 상태를 깨트리지 않고 측정 가능하다는 것이다. 구체적인 방법은, 특정 상태의 양자를 그 상태가 깨어지지 않을 정도로 약하게 측정을 반복하고, 그 후 상태를 엄선해서 데이터를 얻는 것이다.
주사위로 설명하면, 던지는 동작을 수 차례 반복한 다음, 그것과 비슷한 동작이 나왔을 때 데이터를 추려서 엄선하고, 주사위가 취할 듯 한 움직임을 조사하는 것 같은 것이다.
약측정에는 또 하나의 커다란 특징이 있다. 그것은, 시간이 과거나 미래로도 향할 수 있다는 전제를 두고 있는 것이다. 측정결과를 거스르는 과거 상태일 확률을 계산하는 ‘회귀 지시(retrodiction)’라는 특수한 예측이 가능하다는 점이다.
놀라운 사실은, 회귀 지시는 금번 실험에 있어서 양자 측정결과를 90%의 확률로 적중시켰다는 것이다.
*양자의 세계에서는 시간이 과거와 미래의 쌍방으로 흐른다.
이번 실험결과는, 회귀 지시가 과거 상태에 대해서, 보다 정확한 예측을 하게 해준다는 것을 보여준다. 그리고 양자가 과거로부터 뿐만 아니라 미래에서도 정보를 가져온다는 것을 암시하게 해준다. 그것은 동시에 양자의 세계에서는 시간이 과거와 미래 쌍방으로 흐른다는 의미이기도 하다.
마치 교수는 “우리 세계에서, 왜 시간이 한쪽 방향으로만 흐르는지, 왜 점점 더 복잡해 지는 것인지 아직 알지 못합니다. 하지만, 이것에 대해 많은 과학자가 연구를 계속하고 있으며, 가까운 시일에 해명 될 것으로 생각합니다.” 라고 의욕을 드러냈다. 현재의 양자론에서 나오는 시간에 관한 이론들은 어디까지나 이론이며 우리가 사는 현실 물질 세계에는 아직 적용되지 않는 이야기 같다. 과학자들은 모든 가능성을 열어 두고, 자신들의 이론을 뒷받침할 증거에 아둥바둥 대고 있는 것일지도 모른다.
만약 시간이 미래에서 과거에 영향을 미친다 하여도 우리가 불만을 토로하는 일은 없을 것 같다. 왜냐하면 우리는 아직 미래를 알지 못하기 때문이다. 그렇기 때문에 우리는 시간은 언제나 과거에서 미래로의 단 방향으로만 흐른다고 받아 들여도 손해 보는 일은 없을 것이다.