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짜장면이냐? 짬뽕이냐? 인생은 선택의 연속입니다. 
그런데 양자 세계에서는 두 메뉴가 결정되지 않다가, 확인하는 순간 짜장면 또는 짬뽕으로 정해집니다. 올해 노벨 물리학상은 알쏭달쏭하기만 한 양자역학의 세계를 실험적으로 증명한 세 명의 과학자들에게 돌아갔습니다. 먼저 양자역학을 둘러싼 과학자들의 치열한 논쟁으로 들어가 볼까요?

양자 현상을 설명하려는 과학자들의 치열한 논쟁
알쏭달쏭한 양자 세계를 이해할 첫 번째 실마리는 양자 중첩입니다. 상자 안에 들어 있는 공으로 이 현상을 설명할게요. 상자 속에 아직 색깔이 결정되지 않은 공 한 개가 들어 있습니다. 이 공은 우리가 공을 꺼내 색깔을 확인하는 순간 흰색인지 검은색인지 한쪽으로 결정되죠. 이렇게 관측하기 전까지 흰 공인지 검은 공인지 정해지지 않은 상태를 두 결과가 중첩됐다고 말해요.

두 번째 실마리는 양자 얽힘입니다. 둘 이상의 양자 중첩상태가 서로 영향을 미치는 거예요. 예를 들어, 상자에 양자 중첩된 공이 두 개 들어 있다고 생각해 봐요. 그러면 공을 꺼냈을 때 검-검, 검-흰, 흰-검, 흰-흰색으로 총 4가지 결과가 나올 수 있겠죠. 그런데 만약 두 공이 ‘얽힌’ 상태에 있다면, 하나가 흰색이라고 확인이 될 때 그 순간 다른 하나는 100% 검은색이 될 수도 있는 거예요. 한쪽의 결과를 확인하면 다른 쪽의 결과를 알 수 있는 거죠.

양자 얽힘 현상은 두 공이 아무리 멀리 떨어져 있어도 동시에 일어납니다. 그런데 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 정보를 포함한 그 어떤 것도 빛의 속도보다 빨리 전달될 수 없습니다. 그래서 아인슈타인을 비롯한 많은 과학자는 얽힘을 설명하는 양자역학의 논리가 틀렸다고 주장했어요. 대신 두 공을 상자에서 꺼내기 전에 결과가 정해지도록 하는 ‘숨은 변수’가 있다고 설명했습니다.

동전을 던졌을 때 앞면과 뒷면이 나올 확률은 50대 50이라고 표현해요. 하지만 실제로는 동전이 멈추기 전에 관여하는 공기 저항, 바닥과의 마찰 등 숨은 변수들이 있어서 결과에 영향을 미치죠. 아인슈타인은 양자 얽힘 현상도 우리가 계산하기 어려운 ‘숨은 변수’가 있을 뿐, 결과가 이미 정해져 있다고 말했어요.

1964년 유럽입자물리연구소의 존 스튜어트 벨은 얽힘을 둘러싼 논쟁을 판별하는 부등식을 만들어 발표합니다. 성균관대학교 나노공학과 정연욱 교수는 “벨의 업적은 양자역학의 설명이 맞는지 판단할 수 있는 기준을 세운 것”이라고 설명했습니다.