아인슈타인(Albert Einstein) 상대성 이론과 닐스 보어(Niels Bohr) 양자역학의 충돌, 양자얽힘에 대한 EPR 역설

아인슈타인과 닐스 보어는 모두 물리학 분야에서 활동한 과학자로서, 20세기 초반의 과학계를 지배했습니다.

 

좌: 닐스보어 우: 아인슈타인 <출처 : https://news.skhynix.co.kr>

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 상대성 이론으로 유명한 독일의 물리학자입니다. 그의 상대성 이론은 물리학을 혁신하였으며, 질량과 에너지가 서로 바꿀 수 있다는 것을 보여주는 E=mc² 공식으로 유명합니다. 또한 빛의 속도는 모든 관측자에게 일정하다는 것을 보여주는 특수 상대성 이론도 발표하였습니다. 이러한 아인슈타인의 이론들은 현재의 과학적 이론과 기술적 발전을 이끌어내는 중요한 역할을 합니다.

 

알버트 아인슈타인 <출처 : https://img.seoul.co.kr>

반면 닐스 보어(Niels Bohr)는 덴마크 출신의 물리학자로서, 양자역학 이론으로 유명합니다. 보어는 원자 구조의 이해와 원자 내부의 전자 구조 등에 대한 연구를 수행하였으며, 이를 바탕으로 원자에 대한 모델을 제안하였습니다. 보어의 원자 모델은 전자의 궤도에 대한 양자적 제한과 궤도가 양자수에 따라 얼마나 채워질 수 있는지 등을 설명합니다. 이러한 보어의 모델은 현재의 원자 이론의 기초가 되는 중요한 이론입니다.

 

 

 

아인슈타인과 보어는 둘 다 혁신적인 이론을 제안하면서도 서로 다른 견해를 가지고 있어서, 때로는 충돌도 일어났습니다.

 

 

 

아인슈타인은 보어의 양자역학 이론에 대해 비판적인 입장을 취했습니다. 그는 양자역학 이론이 예측하는 현상을 설명하기 위해 사용되는 확률적인 개념에 대해 거부감을 느끼고, "신은 주사위 놀이는 하지 않는다"는 유명한 발언으로 알려졌습니다. 이 발언은 보어의 확률적인 모델을 거부하는 것으로 해석되어, 양자역학 이론의 핵심 원리를 공격하는 것으로 여겨졌습니다.

 

 

 

반면 보어는 아인슈타인의 상대성 이론에 대해서도 비판적인 입장을 취했습니다. 그는 아인슈타인이 제시한 이론이 전통적인 물리학 개념을 넘어서기 때문에 불확실성이 커진다고 주장했습니다. 보어는 또한 아인슈타인이 제시한 상대성 이론이 모든 경우에 적용되는 범용 이론이 아니라고 주장하면서, 서로 다른 물리학 분야에서 발견된 다양한 현상을 설명하기 위해서는 여러 개의 이론이 필요하다고 주장하였습니다.

 

 

 

아인슈타인과 보어의 충돌은 둘 다 혁신적인 이론을 제안하면서도 서로 다른 이론적 배경을 가지고 있었고, 특히 양자얽힘에 대한 이론적 대립과 이에 대한 증명은 최근까지 이어졌습니다. EPR 역설(Einstein-Podolsky-Rosen Paradox)이 대표적인데 이는 양자역학에서 발견된 현상 중 하나로, 양자역학의 기본 원리인 불확정성의 원리에 대한 논쟁을 일으켰습니다.

 

양자얽힘<출처 : https://blog.kakaocdn.net>

EPR 역설은, 양자역학에서 두 입자가 서로 매우 먼 거리에 있을 때, 하나의 입자의 상태를 측정하면, 다른 입자의 상태도 즉시 결정되는 것처럼 보이는 현상입니다. 이것은 입자들 사이에 어떤 순간에도 끊어질 수 없는 연결이 있음을 시사합니다. 이러한 연결을 "양자얽힘"이라고 하며, 이것이 일종의 숨겨진 변수로서 존재하는 것이라면, 양자역학에서의 불확정성의 원리가 깨지게 됩니다.

 

 

참고로 불확정성의 원리란, 양자역학에서 가장 기본적인 원리 중 하나로, 양자계에서 측정할 수 있는 두 물리량, 예를 들어 입자의 운동량과 위치에 대한 불확정성 원리이며, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 말합니다. 이를 수식으로 나타내면 ΔxΔp ≥ h/4π 혹은 ΔEΔt ≥ h/4π 이라고 표현할 수 있습니다.

 

 

 

즉, 입자의 위치를 정확하게 측정하면 운동량의 불확정성은 커지고, 반대로 운동량을 정확하게 측정하면 위치의 불확정성이 커진다는 이론입니다. 이는 우리가 익숙한 일상의 세계에서는 매우 이상하게 느껴지지만, 매우 작은 입자들의 세계에서는 일상적인 현상입니다. 이러한 불확정성 원리는 양자역학의 핵심 원리 중 하나이며, 이를 바탕으로 여러 가지 현상과 실험 결과를 설명할 수 있습니다.

 

 

 

다시 돌아와, 이러한 EPR 역설은 양자역학이 처음 제시되었을 당시 아인슈타인, 폴로드스키, 로젠 등의 물리학자들이 이론적인 논쟁을 일으켰습니다. 이들은 이러한 연결이 존재한다면, 양자역학이 완전하지 않다는 것을 의미하며, 자연의 보다 광범위한 설명이 필요하다고 주장했습니다.

 

 

 

하지만, 이후의 실험 결과는 EPR 역설이 양자역학에서의 불확정성의 원리가 유효하다는 것을 시사하며, 이를 뒷받침하는 벨의 부등식(Bell's inequality)이 제안되었습니다. 이 벨의 부등식은, 양자역학이 만족하는 세 가지 기본 원리 중에서 하나인 광자의 편광(polarization)에 대한 원리를 기반으로 만들어진 부등식으로, 이를 실험적으로 검증함으로써 EPR 역설에 대한 논쟁을 해결할 수 있었습니다.