2022 노벨 과학상 탐구 | 과학문화포털 사이언스올
2022 노벨과학상 탐구(물리학상) 제목
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2022 노벨상 주인공 입니다. 2022년 노벨상은 어떤 재미난 이야기가 있는지 알아보겠습니다.

노벨상은 총 6분야에서 선정되고 과학 부분은 물리학상, 화학상, 생리의학상입니다.

물리학상 수상자는 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 차일링거 3명이 선정 되었습니다.

이미 20여 년 전 부터 이들은 노벨상 수상이 유력하였습니다.

이들은 각자 연구를 통해 양자 역학의 가장 큰 이론적 장애로 여겼던 [벨의 부등식]의 오류를 입증 함으로써

양자역학의 이론적 제한을 해결하였습니다.

양자 물리학은 아직 이론적 제한이 남아있지만, 이미 컴퓨터, 전자제품, 최첨단 산업 등 우리의 생활에 밀접히 활용되고 있습니다.

우리의 손에서 떠나지 않는 스마트폰이 양자 물리학의 기술이 집약된 사례입니다.

출처 : 국립과천과학관
EPR 역설이란?
그동안 양자물리학의 이론적 제한이었던 ‘ EPR 역설 ’은 무엇일까요?

양자물리학을 반대했던 대표적인 과학자 3명의 이름 첫 자를 모아 ‘EPR 역설’이라고 합니다.

당시 과학계는 과학이 완성되는 단계로 여기고 모든 현상을 과학으로 예측 증명할 수 있다고 자부하고 있었습니다.

이러한 시대 분위기에 아인슈타인은 자연 현상이 확률에 지배를 받는다는 것을 받아들이지 않았습니다.

다시 말해 서로 멀리 떨어져 있는 두 체계는 동시에 서로 영향을 줄 수 없다는 주장입니다.

서로 영향을 주고받기 위해서는 어떤 형태로든 정보를 주고받아야 하고 그런 정보의 전달은 상대성 이론에 의해 빛보다 빠른 속도로 이루어질 수 없다고 주장 했습니다.

출처 : 네이버캐스트
벨의 부등식이란

아인슈타인 등 당대 거장 과학자들이 주장했던

‘EPR 역설’을 증명하고자 했던 [ 벨의 부등식 ] 무엇 일까요?

한쪽에서 물리량을 측정하면, 다른 쪽에서는 같은 물리량에 대해 언제나 확실하게 반대 값을 주는 것을 가정하면, 단순히 물리량이 상관관계를 갖는 상식적인 부등식이 양자역학 계산에서는 성립하지 않는다는 것을 보였습니다.

이를 제안한 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)의 이름을 따서 벨 부등식이라고 합니다.

양자역학? 사람이 개미보다 작아지는 거 아닌가요?
양자역학을 흥미 있게 표현한 영화가 있습니다. 우리가 잘 아는 앤트맨 입니다.

영화 내용 중 더 작게 변하려는 주인공에게 박사가 ’너무 작아지면 양자역학 세계에 영원히 갇히게 되고 그곳은 시간 공간 개념이 없는 곳’이라 경고합니다.

양자역학 이론에 따라 무한히 작아지면 어떻게 될까요?

전자 크기에 도달하면 시간의 차원이 연속되는 5차원의 세계에 도달하며 이때 원자만큼 작아진 존재는 연속되는 여러 시간대에서 확률적으로 존재하게됩니다. 이 영역은 시간과 공간의 의미가 없는 상황 이 됩니다.

양자 혁명은 미래 게임 체인저?
양자 이론으로 인해 우리의 미래는 어떻게 변화될까요? 양자 이론 혁명 될까 요?

아니면 그동안 많았던 가설 중 하나로 끝나고 말까요?

현재의 슈퍼컴퓨터가 1만 년에 걸쳐 계산할 수 있는 것을 단 200초 만에 해결하며 질병에 관한 유전정보, 기상이변, 우주 현상까지! 초월적인 속도로 빠르게 분석해낼 수 있는 놀라운 기술의 산물, 바로 꿈의 컴퓨터라 불리는 양자 컴퓨터입니다.

인류가 도저히 풀지 못했던 난제들을 해결해 줄 신의 도구로 여겨지며 4차 산업혁명을 이끌어갈 미래 핵심 기술로 꼽히는 양자 컴퓨터! 기술 발전의 속도가 기하급수적으로 빨라지고 있는 지금. 양자 기술에 세계의 관심이 집중되고 있습니다.

영화 [스타트랙]에서 등장하는 순간 이동 기술 가능할까 요?
놀랍게도 이 실험은 이미 일부 성공했습니다. 2012년 안톤 차일 링거 교수는 143km 떨어진 거리까지 양자 순간 이동을 성공했습니다.
양자통신은 빛의 최소 단위인 광자에 정보를 실어서 보내는 기술입니다. 이론적으로는 해킹이 불가능하고 정보 전달속도도 굉장히 빠릅니다. 양자 원격 전송 기술이 상용화되면 사람을 저 멀리 우주 공간에 순간적으로 이동 할 수 있습니다.

과학자들은 말합니다.

“ 가까운 미래에는 분자 정도의 정보는 원격으로 보낼 수 있을 것이다. 하지만 인간의 모든 구성 요소를 양자화하면 1조의 수경배에 이르는 양자 비트가 발생한다. 인간의 정보를 전송하는데 3억 년이 걸릴 것이다. 그 기간에 사람이 사라졌다가 다시 나타나기란 불가능하다. 광자나 원자처럼 간단한 입자라면 쉽겠지만 사람은 아직 불가능하다.”

안타깝게도 아직은 좀 더 기다려야 하는 상황입니다.

하지만 기술은 우리가 생각하지 못할 정도로 빠르게 발전하고 있습니다.

우리가 계속 과학에 관심을 이를 갖고 꾸준하게 연구한다면 불가능하다고 여겼던 순간 이동도 가능한 날이 올 것입니다.

2022 노벨 물리학상의 의미

이번 노벨 물리학상 수상자 3명은 벨 부등식을 검증하는 수많은 실험을 고안하며 결국

양자역학이 맞았음을 증명 했습니다.

이들은 실험을 통해서 양자 얽힘이 맞았음을 증명하였으며 이 결과를 기반으로 수많은 응용의 이론적 기반을 마련해 주었습니다.

차일 링거 교수는 더욱 정교한 도구와 여러 실험을 통해서 양자 상태를 유지하고 있는 입자가 멀리 떨어진 입자로 이동할 수 있는 양자 순간 이동 (quantum teleportation) 현상을 시연 해 냈습니다. 또한, 양자 얽힘 현상을 기반으로 양자 암호 실험도 구현해냈습니다.

수많은 응용 결과를 기반으로 보다 고차원 상태를 구현하는 양자 통신을 포함하는 광범위한 양자 연구 분야의 개척자로 평가받고 있습니다.

노벨 물리학 위원회 의장인 앤더스 이르백 교수(Prof. Anders Irbäck)는

“ 이들의 연구로 인해서 새로운 종류의 양자 기술이 등장하고 있다”고 밝히며, 양자 역학의 해석에 대한 근본적인 질문을 넘어선 양자 얽힘에 대한 수상이 매우 중요한 수상 이라는 점을 강조하였습니다.

2022년 노벨상 수상은 서로 분쟁이 늘어나고 있는 국제 사회에 큰 의미를 부여할 수 있다고 평가하고 있습니다.

프랑스, 미국, 그리고 오스트리아 등 여러 다른 국가의 물리학자들이 같은 분야에서 동일한 목표를 두고 오랜 기간 후속 연구를 거듭한 끝에 큰 결과를 이뤄냈다는 점에서 현재 복잡한 세계정세에 강력한 메시지를 보내고 있습니다.

국제 사회는 싸울 대상이 아니라 서로 다름을 인정하며 같은 목표를 위해서 협력할 대상이 라는 것입니다.

기초과학의 꾸준한 관심 필요

이번 노벨 물리학상은 해당 분야의 평균 연구 기간이 30여 년 동안 계속 되었습니다.

존F 클라우저 교수의 경우 대학원생 때부터 해당 분야를 연구하여 50여 년간 이 분야를 연구해왔습니다.

주어진 연구 결과들이 하나의 연구팀에서 이루어진 것이 아니라, 수십 년에 걸쳐 따로따로 수행된 다른 연구 결과들에서 같은 주제에 해당되는 연구 결과들에 대해 상이 주어졌습니다.

목적을 정한 국가 주도의 과학 연구보다, 과학자들의 자율적인 연구가 확대되어야 기초과학이 크게 발전할 수 있음을 확인하는 계기가 되었습니다.

자료 출처, 참고 자료 : 사이언스올, 사이언스타임즈, 국립과천과학관, 네이버 지식백과, 유튜브 (리부엉이, 지식보관소, 석군)

이 프로그램은 과학기술진흥기금 및 복권기금의 재원으로 수행된 성과물로

우리나라의 과학기술 발전과 사회적 가치 증진에 기여하고 있습니다.