양자 영역에서 시간 화살 중첩

물리학자들이 양자 시스템이 시간적으로 앞뒤 모두 반대되는 두 개의 시간 화살표를 따라 동시에 진화할 수 있는 방법을 제시했다.

Communications Physics 최신호에 발표된 브리스톨 대학(Universities of Bristol), 비엔나 대학 및 IQOQI-Vienna, 발레아레스 제도 대학(University of Balearic Islands)의 공동 연구는 양자 법칙이 중요한 역할을 하는 맥락에서 시간의 흐름을 이해하고 표현하는 방법에 대한 재고를 요구한다.

수세기 동안 철학자들과 물리학자들은 시간의 존재에 대해 숙고해 왔다. 실제로 자연에서 프로세스는 무질서가 적은 상태에서 무질서가 많은 상태로 자발적으로 진화하는 경향이 있으며 이러한 경향은 시간의 화살(time arrows)을 식별하는 데 사용할 수 있다. 물리학에서 이것은 시스템의 무질서의 양을 정의하는 물리량인 ‘엔트로피(entropy)’로 설명된다.

이 논문의 주 저자인 브리스톨 대학 양자 공학 기술 연구소(QET labs) Giulia Rubino 박사는 다음과 같이 말했다.

“만약 어떤 현상이 많은 양의 엔트로피를 생성한다면, 그 시간 반전을 관찰하는 것은 본질적으로 불가능할 정도로 개연성이 없습니다. 그러나 생성된 엔트로피가 충분히 작을 때, 시간 반전을 볼 가능성은 무시할 수 없습니다. 현상이 자연스럽게 일어납니다.”

“우리는 아침 일과에서 하는 일의 순서를 예로 들 수 있습니다. 치약이 칫솔에서 다시 튜브로 옮겨지는 것을 본다면 우리는 의심할 여지 없이 우리의 하루를 되감기한 기록이었을 것입니다. 하지만, 튜브를 부드럽게 짜서 치약의 일부만 나왔다면 튜브의 감압에 의해 빨려들어가 튜브에 다시 들어가는 것을 관찰할 가능성이 그렇게 높지 않을 것입니다.”

비엔나 대학의 카슬라브 브루크너 교수와 IQOQI-Vienna가 이끄는 연구의 저자들은 양자 영역에 이 아이디어를 적용했는데, 양자 영역의 특징 중 하나는 양자 중첩의 원리다. 양자 시스템이 모두 가능하다면 그 시스템도 동시에 두 상태에 있을 수 있다.

Rubino 박사는 이렇게 설명한다. “이 원리를 시간의 화살표로 확장하면, 양자 시스템이 한 방향 또는 다른 시간 방향(치약이 튜브에서 나오거나 다시 튜브 안으로 들어가는 것)으로 진화하는 결과가 두 시간 방향을 따라 동시에 진화한다는 것을 알 수 있습니다.”

“이 아이디어가 우리의 일상적인 경험에 적용될 때 다소 무의미해 보이지만 가장 근본적인 수준에서 우주의 법칙은 양자 역학 원리를 기반으로 합니다. 이것은 왜 우리가 이러한 자연에서 흐르는 시간의 중첩을 결코 만나지 못하는지에 대한 질문을 던집니다.”

발레아레스 제도 대학(University of Balearic Islands)의 공동 저자 Gonzalo Manzano 박사는 “시스템을 잘 정의된 시간 방향으로 이동하며, 두 가지 중 가장 가능성 있는 과정에 해당한다. 그러나 소량의 엔트로피가 관련되어 있는 경우(짜낸 치약이 재흡수되는 것을 볼 수 있을 때 튜브), 그러면 시스템이 전진 및 후진 시간 방향을 따라 동시에 진화한 결과를 물리적으로 관찰할 수 있다”고 말했다.

시간 자체가 잘 정의되지 않을 수 있다는 근본적인 특징 외에도 이 작업은 양자 열역학에 실질적인 의미를 갖는다. 양자 시스템을 대체 시간 화살표의 중첩에 배치하면 열 기계 및 냉장고의 성능에 이점을 제공할 수 있다.

Rubino 박사는 “시간은 종종 지속적으로 증가하는 매개변수로 취급되지만, 우리의 연구는 양자 역학적 맥락에서 시간의 흐름을 지배하는 법칙이 훨씬 더 복잡하다는 것을 보여준다. 이것은 우리가 이 양을 전체적으로 나타내는 방식을 재고할 필요가 있음을 시사할 수 있다. 양자 법칙이 중요한 역할을 하는 상황”이라고 설명했다.