1963년 노벨상 수상 물리학자 유진 위그너(Eugene Wigner)는 1961년 고안한 사고 실험에서 양자 역학의 수많은 이상한 점 중 하나를 포착했다.

위그너는 그의 친구가 실험실에 고립돼 원자 입자를 측정하는 것을 상상했다. ‘위그너의 친구(Wigner’s Friend)’라는 사고실험으로 양자 역학에서 입자는 한 번에 여러 위치에 중첩(superposition) 상태로 존재하며, 친구의 관찰로 입자는 한 지점으로 붕괴한다. 그러나 위그너에게는 중첩 상태로 남아 있다. 붕괴는 측정할 때 발생한다.

사고실험에서 위그너는 중첩 상태 친구를 보게 된다. 그들의 경험은 직접적으로 충돌한다.

호주와 대만 물리학자팀이 17일(현지시각) 네이처 피직스(Nature Physics)에 발표한 논문에서 위그너 역설이 실재함을 제시했다.

연구팀은 광자를 사용한 실험을 통해 수학적 정리를 테스트했다. 그것은 모두에게 절대적인 사실이 없다는 것을 의미할 수 있다.

호주 그리프트 대학(Griffith University)의 공동 저자 노라 티츨러(Nora Tischler)는“당황스럽다. 측정 결과는 과학에 기반했다”고 말했다.

과학저널 사이언스는 위그너 사고 실험이 최근 몇 년 동안 다시 주목을 받고 있음을 조명했다. 2015년 비엔나 대학의 카슬라프 브루크너(Časlav Brukner)는 역설을 둘러싼 직관적 방법을 테스트했다. 실험실 내부의 친구는 실제로 입자를 한 위치 또는 다른 곳에서 보았고 위그너는 아직 그것이 무엇인지 알지 못한다. 양자이론 상 친구의 결과는 숨겨진 변수다.

브루크너는 자신의 사고 실험에서 그 결론을 배제, 양자 얽힘에 기반한 트릭을 사용해 숨겨진 변수를 공개했다. 그는 두 개의 친구-위그너 쌍을 설정하고 측정 시 속성이 상관되는 방식으로 파트너와 얽힌 입자를 각각 제공하는 것을 상상했다. 각 친구는 입자를 측정하고 각 위그너는 입자를 측정하는 친구를 측정하며 두 위그너는 메모를 비교한다. 과정이 반복된다.

친구가 확실한 결과를 본다면 위그너의 조사 결과는 약한 상관관계만 보여 줄 것이다. 그러나 대신 그들은 강한 상관관계 패턴을 찾는다. 모순에 직면한 것이라고 브루크너는 말한다.

2016년 스위스 연방공대(ETH Zürich)의 다니엘라 프로치거(Daniela Frauchiger)와 레나토 렌너(Renato Renner) 도 비슷한 실험을 했다. 이후 많은 논문들이 나오고 학회에서 토론이 벌어졌다.

그러나 2018년에 애리조나 대학의 물리철학자 리차드 힐리(Richard Healey)는 브루크너 사고 실험의 허점을 지적했다. 새로운 시나리오에서 그들은 네 가지 가정을 한다. 하나는 친구가 얻은 결과가 실재적이라는 것이다. 다른 측정값과 결합해 공유 지식 코퍼스를 형성할 수 있다. 그들은 양자 역학이 보편적이며 입자와 마찬가지로 관측자에게도 유효하다고 가정한다. 관찰자들이 내리는 선택은 신과 같은 초결정론(superdeterminism)에 의해 유도된 특이한 편견이 없다. 물리학은 국소적(local)이며, 먼 거리에서 제한된 형태의 ‘괴이한 행동(spooky action)’을 제외하고는 모두 자유롭다.

반면 연구팀의 분석은 위그너 역설의 모순이 지속된다는 것을 보여준다. 얽힌 광자를 생성한 연구팀의 실험은 역설을 뒷받침한다. 광학 장치는 각 광자를 편광에 의존하는 경로로 이동시켰다. 이는 친구의 관찰과 유사하다. 그런 다음 광자는 위그너의 역할을 한 두번째 장치 및 탐지기에 들어갔다.

연구팀은 다시 한 번 친구와 위그너 사이에 화해할 수 없는 불일치를 발견했다. 그들은 입자가 얼마나 얽혀있는지를 정확하게 변화시켰으며 브루크너의 시나리오와 다른 조건에서 불일치가 발생함을 제시했다. 티츨러는 “이것은 정말 새롭다”고 말했다.

연구팀은 또한 양자 측정 문제가 관찰자 수준에서 제어가능하다면 브루크너가 가정한 초결정론(No-Superdeterminism), 국소성(Locality), 관찰된 사건의 절대성( Absoluteness of Observed Events) 중 하나는 거짓이라고 지적했다.

이번 연구에 대해 아르스테크니카(arstechnica)는 연구팀의 위그너의 친구 실험에서 관찰자는 실제 거시적 관찰자가 아니고, 양자 물질인 광자로 양자 상태의 거시적 관찰자들에 대한 완전한 사고 실험은 어려울 수 있다고 지적했다. 반면에 향후 양자 컴퓨터 인공지능이 양자 상태의 거시적 관찰자로 간주될 수 있으며 이는 미래에 관련 테스트를 확장할 수 있음을 의미한다고 설명했다.

요점은 실재 거시 현실이 양자 효과에 의존할 수 있으며 우리는 생각하는 것보다 훨씬 덜 자유로운 선택을 할 수 있다는 의미다. 국소성과 인과 관계를 부정해야하는데, 이는 물리학 자들에게 훨씬 더 고통 스러울 수 있다.

한편, 브루크너는 같은 날 네이처 피직스에 게재한 논문(Facts are relative)에서 위그너의 친구 사고실험에 대한 이론적 결과와 실험적 테스트는 측정 결과의 관찰자 독립 개념을 유지할 가능성을 제한한다고 밝혔다.

* Bong, K., Utreras-Alarcón, A., Ghafari, F. et al. A strong no-go theorem on the Wigner’s friend paradox. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-0990-x