노벨상 수상자 Wilczek： 양자 물리학 중의 시간 패러독스

불안정한 하나의 원자핵이 어떻게 자신이 언제 붕괴될지를 알까요? 해답은 공간구조 속에 숨겨져 있습니다. 1935 년에 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 양자 이론이 현실을 완전히 설명하는지 테스트를 위해서 사고 실험을 제안 했습니다. 이 실험은 후세 사람들에게 "슈뢰딩거의 고양이" 라고 불렸습니다. 고양이, 독가스 병, 병을 깨뜨릴 수 있는 스위치가 있는 봉인된 상자를 상상합니다. 불안정한 핵이 붕괴되면 메커니즘을 작동시키고 병을 깨고 고양이를 독살합니다. 

그러나 양자 이론에 따르면 핵은 동시에 붕괴되지 않은 상태와 붕괴된 두 가지 서로 다른 상태에 놓일 수 있습니다. 측정이 되는 그때만 원자핵의 상태가 비로소 그 중 또 다른 특정 상태에 있는 원자핵으로 무너진다. 그래서 핵이 붕괴되었는지 여부를 비로소 알 수 있습니다. 따라서 이 불쌍한 고양이는 살아 있으면서 동시에 죽은 상태로 있는 것 입니다.  그것이 죽었는지 살아 있는지는 누군가 또는 무언가로 인해 핵의 양자 상태가 붕괴 된 후에 비로소 ​​결정될 수 있습니다. 이 이상한 역설에서 슈뢰딩거는 양자 이론이 결함이 있다는 것을 깨달았습니다.

외람되게도 직언을 하자면, 이 사고 실험의 이상한 부분은 고양이에게 있는 것이 아니라 불안정한 핵의 행위에 있다고 생각합니다.이 점을 설명하기 위해 방사성 연대 측정을 살펴 보겠습니다. 이것은 물체의 나이를 결정하는 마법의 기술입니다. 고고학의 문화적 유물이나 지질학의 지층에 대한 연대 측정에도 사용할 수 있습니다. 천체 물리학에서는 먼 거리에 있는 항성과 성운의 나이를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 방사성 연대 측정은 의심할 여지없이 매우 정확하지만 배후의 원리는 심오하면서도 기이한 점이 있습니다. 많은 물체는 불안정한 핵을 가지고 있으며, 결국 또 다른 동위 원소로 붕괴되는데 아울러 이 과정에서 에너지를 방출합니다.

동일한 시간 간격 안에 샘플에서 발생하는 붕괴된 원자핵의 비율은 고정되어 있습니다. 원자핵의 절반이 붕괴하는데 필요한 시간을 동위 원소의 반감기라고 부릅니다. 방사성 원자핵은 신뢰할 수 있는 불안정성을 갖추고 있기 때문에 이상적인 시계가 될 수 있습니다. 대량의 핵 붕괴 관찰을 통해서 동위 원소의 반감기를 정확하게 결정할 수 있습니다.

예를 들어, 유기물의 연대를 측정하는데 사용되는 방사성 탄소 14의 반감기는 약 5700 년입니다. 하지만 특정 원자핵이 언제 붕괴가 발생하는지 예측하는 것은 불가능합니다. 사실, 하나의 원자핵은 시간의 흐름을 전혀 기록할 수 없습니다.
 
 오래된 핵과 젊은 핵 사이에는 뚜렷한 차이가 없으며, 원자핵이 갑자기 붕괴되기 전에는 모두 똑같이 젊다고 말할 수 있습니다. 그러나 여러 원자핵 붕괴의 확률 테스트를 통해서 시간을 정확하게 측정해 낼 수 있습니다. 원자핵과 같은 단순한 물체나 중성자와 뮤온과 같은 더 기본적인 입자는 어떻게 자신들의 반감기를 알고 있을까요? 이것들을 위해 시간을 기록하는 스프링, 시계추 혹은 배터리가 어디에 있을까요? 이것이 바로 이상한 질문입니다. 그런데 현대 물리학의 대답은 더 이상합니다.

이런 물체는 마치 폭풍 속에 있는 건들면 터지는 폭탄과 같습니다. 그것들이 감지하는 돌풍은 양자 변동으로 가득 찬 공간에서 비롯됩니다. 때때로 돌풍은 충분히 폭발을 일으킬 만큼 강력할 것입니다.

다음 물리 사진 속에서 보면, 원자핵은 기본적으로 단순하고 수동적인 반면에 양자 장으로 가득 채워진 공간은 오히려 복잡하고 활동적입니다. 양자 이론의 자연에 대한 설명에서 보면 우연적인 도입은 이론적인 기묘한 생각을 근거로 하지 않습니다. 이는 마치 방사능의 기본 사실이 밝혀진 것처럼 우리가 좋아하든 싫어하든 현실 자체는 이상하고 불확실합니다. 이러한 기이함을 이성적인 사고 범주에 유입시키는 것을 통해서 보면, 양자 역학은 적어도 그들을 “길들일” 수 있습니다. Frank Wilczek은 MIT 대학의 물리학 교수이자 양자 색 역학의 창시자 중 한 명입니다. 그는 양자 색 역학의 점근 적 자유 현상을 발견해서 2004 년 노벨 물리학상을 수상했습니다.