나는 이 글에서 은하 규모까지 확장된 양자 얽힘이 현실적으로 어떤 의미를 가지는지 탐구하려고 한다. 나는 독자에게 양자 얽힘의 기본 성질을 설명한 뒤에 그 성질이 우주 전체로 확장될 때 생기는 물리적 제약과 철학적 시사점을 차분히 살펴볼 것이다.
양자얽힘의 본질과 현상적 특성
과학자들은 양자 얽힘을 서로 떨어진 입자들이 단일한 양자상태로 기술될 때 나타나는 상호의존성으로 정의한다. 물리학에서는 얽힘이 정보의 즉각적 전달을 의미하지 않는다고 강조한다. 연구자들은 얽힘으로 인해 한 입자의 측정결과가 다른 입자의 통계적 분포를 바꿀 수 있지만 이 변화가 초광속 신호전달을 허용하지 않는다는 점을 잘 알고 있다. 물리학자는 얽힘 상태를 수학적 파동함수나 밀도행렬로 기술한다. 이 기술은 작은 계에서 실험적으로 검증되었고 실험자들은 광자, 전자, 원자 집단 등 다양한 계에서 얽힘을 만들어 측정했다. 이 과정에서 실험자는 시스템을 외부 환경으로부터 얼마나 잘 격리하느냐에 따라 얽힘의 유지 시간이 크게 달라진다는 사실을 발견했다.
우주적 규모에서의 얽힘 가능성
연구자들은 은하 규모에서 양자 얽힘을 유지하는 것이 어떤 물리적 의미를 가지는지 묻는다. 이 장에서는 짧은 서론을 먼저 제시하고 이어서 세 가지 핵심 주제를 다루겠다.
나는 먼저 전체 우주가 하나의 거대한 양자상태로 존재할 가능성을 논의할 것이다. 나는 다음으로 우주적 얽힘을 물리적으로 방해하는 요인을 살필 것이다. 나는 마지막으로 그러한 얽힘을 관측하거나 검증할 수 있는 방법을 검토할 것이다.
물리적 제약과 거리의 문제
물리학자는 거리 자체가 얽힘을 직접적으로 파괴하지 않는다는 점을 지적한다. 연구자들은 얽힘이 원천적으로 비국소적이라는 성질 때문에 서로 먼 입자들도 얽힐 수 있다고 설명한다. 그러나 연구자들은 먼 거리 사이의 얽힘을 생성하거나 유지하려면 매개체와 제어가 필요하다고 말한다. 실험자들은 광자를 이용한 얽힘 분배에서 광섬유나 위성 중계가 필요하다는 사실을 확인했다. 연구자들은 은하 간처럼 극도로 큰 거리에서는 중간 환경의 영향과 간섭이 얽힘을 사실상 소멸시킨다고 주장한다. 천문학자는 진공이라도 완벽한 격리가 아니며 우주배경, 입자 플루크투에이션, 복사 등이 상호작용을 일으킨다고 설명한다. 물리학자는 거리 문제를 기술적으로 극복하려면 현재보다 상상할 수 없을 만큼 강한 제어와 에너지 투입이 필요하다고 결론 내린다.
엔트로피와 열적 상호작용
물리학자는 거대한 계일수록 엔트로피 증가가 불가피하다고 말한다. 우주학자는 우주가 시간과 함께 열적 과정에 의해 점차 더 무질서해진다고 설명한다. 연구자들은 얽힘을 유지하려면 계의 열적 교란을 억제해야 한다고 지적한다. 실험자들은 미세한 온도 변화나 입자 충돌만으로도 복잡한 얽힘 구조가 빠르게 붕괴하는 것을 목격했다. 천체물리학자는 별과 가스, 방사선으로 가득한 은하 환경에서 열적 상호작용이 얽힘을 장기간 유지하는 데 큰 장애물이 된다고 판단한다. 이 때문에 연구자들은 은하 규모 얽힘이 자연 상태에서 안정적으로 존재할 가능성을 낮게 평가한다.
관측과 decoherence 문제
과학자들은 관측이 얽힘을 드러내는 동시에 변형시킨다는 이중적 문제를 제기한다. 물리학자는 관측 행위가 시스템의 파동함수를 붕괴시키는 과정과 관련된다고 본다. 엔지니어들은 장거리 얽힘을 검증하려면 원격 측정과 동기화된 검출기가 필요하다고 알고 있다. 천문학자는 현재의 관측 기술로는 은하 간 또는 우주 전체에 걸친 얽힘 신호를 분리해 내기 어렵다고 본다. 연구자들은 관측 과정에서 확보되는 정보조차 주변 환경과의 상호작용 때문에 얽힘의 전형적 지표와 구분하기 어렵다고 설명한다. 이 때문에 과학자는 decoherence를 얽힘 확장의 최대 장벽으로 규정한다.
은하 규모 얽힘이 의미하는 철학적·물리적 함의
철학자는 우주적 얽힘이 우리 존재의 연속성과 분리 개념을 재검토하게 만든다고 주장한다. 연구자들은 만약 은하들이 강하게 얽혀서 상호의존적 행동을 보인다면 전통적 의미의 개별성 개념이 흔들린다고 말한다. 물리학자는 우주 전체를 기술하는 단일 파동함수 가설을 제기하기도 한다. 천문학자는 그러한 단일성 가설이 우주의 초기 상태나 양자중력 이론과 연결될 가능성을 제시한다. 철학자는 우리가 인식하는 인과관계와 지역성 개념을 재구성해야 할지도 모른다고 주장한다. 과학자는 그러나 실험적 근거가 없으면 이러한 철학적 논의가 추상에 머물 수밖에 없다고 경고한다. 연구자들은 또한 정보, 인과, 자유도에 대한 정의가 은하 규모 얽힘 논의에서 새롭게 다듬어져야 한다고 말한다.
우주가 하나의 거대한 입자인가
물리학자는 우주 전체를 하나의 거대한 입자로 규정하는 언어적 비유가 흥미롭다고 인정한다. 과학자는 그 비유가 수학적 엄밀성에서는 파동함수의 전체성 개념과 통하는 면이 있다고 지적한다. 연구자들은 그러나 현실적으로 우주 전체를 단일 코히어런트(일관된) 양자상태로 유지하는 것은 극도로 어렵다고 결론 내린다. 천문학자는 우주가 초기 조건에서 어느 정도의 양자적 연관을 가졌을 수는 있지만 그 연관이 이후의 열역학적 과정과 상호작용으로 대부분 소실되었을 가능성이 크다고 본다. 철학자는 비유를 개념적 사유의 도구로 사용하는 것은 유익하지만 과학적 주장으로 바로 전환해서는 안 된다고 경고한다.
실용적·이론적 전망
연구자들은 양자 얽힘의 우주적 응용 가능성을 완전히 배제하지는 않는다. 물리학자는 양자중력이나 우주 초기 상태를 설명하는 새로운 이론들이 얽힘의 우주적 역할을 재조명할 수 있다고 제안한다. 이론가들은 블랙홀 정보 문제, 호로그래픽 원리, 얽힘 엔트로피 같은 주제에서 얽힘의 거시적 역할을 꾸준히 연구하고 있다. 실험자는 우주 마이크로파 배경이나 중력파 관측에서 얽힘의 흔적을 찾으려는 시도를 할 수 있다고 보고 있다. 연구자들은 그러나 그러한 접근이 기술적·해석적 도전으로 가득하다고 인정한다.
결론
나는 은하 규모의 양자 얽힘이 개념적으로 흥미롭고 철학적 함의가 크다고 판단한다. 나는 그러나 물리적 현실로서의 가능성은 환경적 상호작용과 decoherence, 엔트로피 증가 때문에 매우 제한적이라고 결론 내린다. 나는 앞으로 양자중력과 우주론의 발전이 이 문제에 새로운 빛을 던질 수 있다고 기대한다. 나는 독자가 이 글을 통해 양자 얽힘의 본성, 우주적 확장의 제약, 그리고 그로부터 파생되는 사고의 전환을 함께 고찰했기를 바란다.