과학자들은 양자의 세계에서 공간이 저절이 만들어지는 것을 목격했습니다.

 

 

 

시공간.. 시간과 공간을 함께 부르는 말입니다.

 

우리는 이렇게 시간과 공간을 한 단어로 묶어서 부르곤 하는데요.

 

그만큼 우리는 시간과 공간을 거의 같은 개념으로 생각하는 경향이 있습니다.

 

하지만 실제로는 어떨까요? 시간과 공간을 같은 개념으로 볼 수 있을까요?

 

최근 과학자들은, 양자의 세계에서 아주 기묘한 현상을 목격하게 되었습니다.

 

양자들을 시간 단위로 측정했더니, 이곳에서 3차원 공간의 수학적 구조가 저절로 만들어지고 있었던 겁니다.

 

즉, 공간 안에서 시간이 흐르는 것이 아니라, 시간의 흐름속에서 공간이 저절로 만들어지고 있었죠.

 

만약 이러한 메커니즘이 해명될 수 있다면, 우리의 세계관은 완전히 뒤집어 지게 될 겁니다.

 

과연 과학자들이 양자의 세계에서 목격했던 것은, 정확히 무엇이었을까요?

 

이번의 연구 내용은 arXiv 2025년 2월 18일 자에 게재되었습니다.

 

 

 

 

 

 

"시간과 공간은 절대적이며 독립적이다"

19세기만 해도 시간과 공간은 완전히 별개로 취급되었습니다.

 

시간은 우주 어디에서나, 누가 관측하든 상관없이 항상 동일한 속도로 흘러가는 강물과 같다고 생각했죠.

 

즉, 나의 시간과 다른 사람의 시간, 우주 저편의 시간이 모두 똑같이 흘러간다고 믿었던 겁니다.

 

또한 공간도 마찬가지로 변하지 않는 절대적인 3차원의 무대같은 것이라 생각했었는데요.

 

산이나 강, 모든 물질들과 사건들은 고정된 공간이라는 배경 속에서 만들어지고 존재한다고 생각했습니다.

 

공간 자체가 시간이나 물질에 의해 휘거나 변형된다라고는 전혀 상상도 하지 못했었죠.

 

 

 

 

 

 

하지만 이러한 생각은 20세기 초, 아인슈타인의 상대성 이론이 등장하면서 근본적으로 바뀌게 됩니다.

 

아인슈타인은 상대성 이론에서, 시간과 공간이 더 이상 절대적이거나 분리된 것이 아니라고 설명했는데요.

 

시간과 공간은 관찰자의 속도나 중력에 따라 변할 수 있으며, 서로 얽혀서 '시공간'으로 통합될 수 있다고 설명했습니다.

 

그리고 이러한 믿음은 아주 오랫동안 지속되었습니다. 양자역학이 등장하기 전까지는 말이죠.

 

양자역학이 등장하게 되면서, 상대성이론의 세계관과 충돌하는 지점들이 하나씩 생기기 시작했습니다.

 

예를들면, 기존의 시공간이라는 개념이 블랙홀 내부나 우주 탄생 직후와 같은 극한 상황에서는 잘 맞지 않는 문제가 생기게 된 건데요.

 

이렇게 두 거대 이론 사이의 충돌이 계속되자, 일부 과학자들 사이에서 조금씩 의심이 생겨나기 시작했습니다.

 

'시간과 공간이 하나로 통합되어 있다'라는 상대성 이론의 기본 가정 자체에 문제가 있는 것은 아닐까?

라고 의심하기 시작했던 거죠.

 

그리고 이러한 의심은 자연스럽게 '시간이 먼저 생기고 공간이 나중에 생긴 것은 아닐까?'라는 생각으로 이어지게 됩니다.

 

즉, 우리가 경험하는 공간은 시간 위에서 양자역학적인 과정 등을 통해 나중에 만들어질 수 있다고 생각하게 된 건데요.

 

중요한 점은, 과학자들이 단순히 '그럴지도 몰라'라고 상상만 하는데 그치치 않았다는 겁니다.

 

과학자들은 이 의심이 정말 타당한지 직접 확인해 보기 위해서, 연구를 설계하고 실행보기로 결정을 했죠.

 

이를 위해서 과학자들이 주목했던 것은, 양자 세계의 가장 기본 단위인 '큐비트(qubit)'였습니다.

 

 

 

 

 

 

 

이 세계의 구조를 이해하려면, 가장 작은 구성 요소부터 제대로 이해하는 것이 중요합니다.

 

이것이 바로 과학자들이 양자 세계의 가장 기본 단위인, 큐비트에 주목했던 이유입니다.

 

참고로 우리가 일반적으로 사용하는 컴퓨터의 정보 단위는 비트(bit)라고 하는데요.

 

비트는 0과 1중 하나의 상태만을 가지게 됩니다. 이는 마치 스위치가 켜져있거나(1) 꺼져 있는(0) 것과 같죠.

 

반면, 큐비트는 특이하게도 '0'의 상태와 '1'의 상태를 동시에 가질 수 있습니다.

 

이 얘기는, 즉 큐비트는 두 개의 기본 상태를 동시에 중첩할 수 있다는 얘기입니다.

 

그리고 이렇게 0과 1의 상태를 동시에 갖는다는 것은, 확률적으로 0이 될 가능성과 1이 될 가능성을 함께 내포하고 있다는  의미가 되죠.

 

예를 들어, 공중에 던져져 빙글빙글 돌고 있는 동전의 경우, 땅에 떨어지기 전까지 그 상태가 확정되지 않습니다.

 

즉, 앞면이 될 가능성과 뒷면이 될 가능성이 중쳡된 상태를 동시에 유지하고 있는 상태라고 할 수 있는 건데요.

 

큐비트의 중첩 상태는, 마치 공중으로 던져진 동전의 상태와 비슷하다고 할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

다만, 회전하는 동전의 경우는, 앞면이나 뒷면 중 하나로 결과가 정해져 있습니다. 

 

우리는 그 결과만 모르고 있을 뿐이며 ,던지기를 통해서 그 결과를 알아낼 수 있게 되죠.

 

하지만 큐비트의 경우는, 그냥 가만히 놔두면 그 상태가 계속해서 무한히 변화됩니다.

 

예를 들어, 0과 1 사이에는 무수히 많은 경우의 상태가 존재하고 있는데요.

 

이 모든 경우의 수들이 중첩되어 있고, 그 사이에서 계속해서 변화되고 있다는 겁니다.

 

이러한 중첩 상태에서 측정이라는 개입이 일어나야만, 그제서야 최종 상태가 결정될 수 있다는 거죠.

 

그래서 측정은 여러가지의 가능성 중 하나를 현실로 확정시키는 과정이라는 점에서, 동전 던지기와 근본적으로 다릅니다.

 

즉, 이러한 양자의 상태 결정은, 단순히 동전의 앞뒷면과 같은 확률 게임의 반복이 아니라는 얘기입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

어쨋든, 이러한 큐비트의 특성은 이번에 수행된 측정에서도 그대로 나타나고 있었는데요.

 

과학자들은 양자를 하나를 준비한 뒤, 아주 짧은 시간 단위로 상태의 측정을 계속 반복해봤습니다..

 

참고로 큐비트는 컴퓨터의 비트와 같이 추상적인 정보의 단위입니다. 

 

그래서 이를 실제로 관측하려먼, 구체적인 물리적 형태의 대상이 존재해야만 하는데요.

 

그래서 과학자들은 전자나 광자 등의 양자를 이용해서 큐비트 관측을 진행하게 되었습니다.

 

그 결과 측정할 때 마다 값이 다르게 나타났으며, 그 값을 시간 순서대로 모두 기록할 수 있었죠.

 

 

 

 

 

 

 

그리고 이렇게 기록한 값들을, 시간 순서대로 하나씩 비교하면서 얼마나 비슷한지 또 다른지 분석해 봤습니다.

 

그 결과, 이 데이터들에게서 전혀 예상하지 못했던 아주 기묘한 패턴들이 나타나기 시작했는데요.

 

3차원 공간에서의 거리나 각도를 다루는, 중요한 수학적 구조와 일치하는 패턴들이 나타나기 시작했던 겁니다.

 

쉽게 설명해서, 과학자들은 큐비트를 측정해서 나온 1 또는 0과 같은 값들을 시간 순서대로 나열했습니다.

 

그리고 과학자들은 이렇게 쭉 나열된 측정 값들을 살펴보면서, 서로간의 관계를 분석해 봤죠.

 

1초 전의 1과 2초전의 0은 어떤 관계가 있을까? 2초 전이랑 3초 전의 관계는...?

 

이런식으로 모든 측정 값들 사이의 관련성을 계산해서, 관계 점수를 매겨 봤다는 얘기입니다.

 

그리고 이렇게 도출된 관계 점수를 전체적으로 다시 살펴봤더니, 아주 놀라운 규칙이 발견된 되었던 건데요.

 

이 관계 점수들의 배열이, 3차원 공간을 만들 수 있는 수학적 구조의 규칙과 동일했다라는 겁니다.

 

더 쉬운 예로, a, b, c, d 등의 도시의 이름과 그 사이의 거리가 적혀있는 목록이 있다고 가정해 봅시다.

 

a와 b의 거리는 100km, a와 c의 거리는 200km, b와 c의 거리는 150km 이런식으로 말이죠.

 

이 거리 목록만 가지고 지도를 그린다고 생각하면 됩니다. a옆에 b를 놓고 c는 a와 b에서 이만큼 떨어져 있고..

 

이렇게 하나씩 그리다 보면, 결국 도시로 가득차 있는 입체적인 전체 모습이 그려질 수 있게 된다는 겁니다.

 

이와 비슷하게, 큐비트 측졍 결과들 사이의 관계 점수들이 마치 3차원 공간에 있는 점들 사이의 거리나 각도 규칙처럼 딱 들어맞고 있었다는 건데요.

 

과학자들이 이 관계 점수대로 점들을 배치하자, 3차원의 공간이 만들어지고 있었다는 겁니다.

 

즉, '시간 데이터만 가지고 큐비트를 분석했더니, 저절로 3차원 공간 규칙이 생겨났다'라는 얘기입니다.

 

 

 

 

 

 

이것은 결국 시간이라는 개념만 있다면, 3차원 공간은 마치 부가적으로 저절로 생겨나는 것일 수 있다는 매우 충격적인 결과였습니다.

 

또한 이 결과에서 놀라운 점 중 하나는, 큐비트가 맨 처음에 어떤 상태에서 시작되었는지는 전혀 알필요가 없었다는 겁니다.

 

그냥 시간의 흐름대로 양자의 상태를 측정하고, 그 결과들 사이의 관련성만 꾸준히 분석하면, 마치 우리가 3차원 공간에서 자와 각도기로 측정하는 것과 같은 '거리'나 '각도'에 대한 정보가 저절로 계산되어 나왔다는 거죠.

 

즉, 시작점이 어땠는지는 상관없이, 그냥 시간의 흐름에 따른 관측 데이터만 모으면, 그 속에서 항상 일관되게 3차원 공간의 구조가 나타났다는 겁니다.

 

이 결과는 우리가 굳이 3차원의 공간을 미리 설정하거나 가정하지 않아도, 오로지 시간의 흐름에 따른 양자 측정 값들의 관계만 있다면, 그것만으로도 3차원 공간과 동일한 구조가 자연스럽게 만들어 질 수 있다는 건데요.

 

즉, 공간이 기본적으로 먼저 존재하고 그 안에서 시간이 흐른다라는, 우리 세계의 기본 전제가 완전히 뒤집어 질 수 있는 결과였습니다.

 

 

 

응 형이야

 

 

 

물론 이 아이디어는 아인슈타인의 상대성 이론과 정면으로 부딪힐 수 있다는 큰 문제점을 안고 있습니다.

 

상대성 이론에서는 시간과 공간은 별개가 아니라, 서로 뗄 수 없이 얽혀있는 '시공간'으로 설명하고 있죠.

 

하지만 이번의 연구 결과는, 공간이 시간의 연속성에서 발생되는 '덤'같은 것으로 설명하고 있어서, 이 둘 사이의 모순이 발생되고 있습니다.

 

이러한 큰 어려움에도 불구하고, 이 연구를 계속하는 것은 아주 중요한 의미가 있어 보이는데요.

 

왜냐하면 이번 연구는 '시간에 따른 양자 측정 결과들 사이의 관계'야 말로, 어쩌먼 시공간보다 더 근본적이고 원초적인 요소일 수 있다고 보고 있기 때문입니다.

 

그리고 양자의 단계에서 어떻게 공간이라는 개념이 자연스럽게 생겨나는지, 그 원리를 밝혀내려고 하고 있기 때문이죠.

 

우리가 평소 '여기에 물체가 있다', '목적지까지 몇 미터 떨어져 있다' 등 당연히 사용하고 있는 공간이라는 개념.

 

어쩌면 공간은 처음부터 존재하고 있던 것이 아니라, 시간적인 관측의 연속성으로부터 결과적으로 탄생되었을지도 모릅니다.

 

그리고 이것을 강하게 시사하고 있는 것이 바로, 이번 연구의 최대의 포인트라고 할 수 있는 거죠.

 

 

 

 

 

 

우리는 공간이라는 무대가 먼저 있고, 그 안에서 시간이 흐르거나 사건이 벌어진다고 생각해왔습니다.

 

하지만 보셨다시피, 이번의 연구는 완전히 정반대의 이야기를 하고 있는데요.

 

당연히 처음부터 있어야 할 것 같았던 공간은, 어쩌면 처음부터 존재했던 것이 아닐 수 있습니다.

 

시간이 흘러감에 따라 얻어지는 큐비트의 측정 결과들 사이의 관계에서 나중에 만들어지거나 나타날 수 있었죠.

 

그래서 많은 사람들이 정말로 이상한 연구 결과다라고 느낄 수 밖에 없을 겁니다.

 

왜냐하면 우리는 '먼저 공간이 있고, 그 공간 안의 특정 위치에 큐비트를 가져다 놓고, 시간을 들여 큐비트를 측정했다'라고 생각하는 것이 훨씬 더 자연스럽게 때문입니다.

 

즉, 우리는 항상 자연스럽게 공간이라는 것을 실험의 전제 조건으로 먼저 두고 있다는 것이죠.

 

하지만 이번 연구를 더 쉽게 이해할 수 있는 방법이 있습니다.

우리가 불이 꺼진 아주 깜깜한 방안에 있다고 상상해 보는 건데요.

 

그렇데 되면 우리는 처음부터 방이 어떻게 생겼는지 전혀 알 수가 없습니다.

 

하지만 시간을 들여 여기저기 손을 뻗어 벽을 만져보고 천장을 더듬어 봅니다.

 

이렇게 '시간'이 지나면서 얻은 촉감 '정보'들을 종합해 보면, 우리는 점차 방의 전체적인 '3차원 구조'를 머릿속에 그릴 수 있게 되죠.

 

이는 처음부터 불을 켜서 방의 구조를 보고, 바로 알아내는 것과는 분명히 다른 개념입니다.

 

 

 

 

 

 

즉, 시간에서 공간이 만들어지는 과정은, 불을 끈 상태에서 '시간을 들여서 얻은 정보' 만으로, 공간 구조를 파악해내는 과정과 비슷하다는 겁니다.

 

하지만 이 흥미로운 결과가 당장 우리가 살고 있는 우주 전체에 그대로 적용될 수 있을지는 미지수인데요.

 

왜냐하면 실제 우주는 단순한 큐비트 시스템이 아니라, 중력, 에너지 등 훨씬 복잡한 요소들이 얽혀있기 때문입니다.

 

아주 작은 큐비트 세계에서 발견된 원리를, 거대한 우주 전체에 적용하려면 훨씬 더 많은 연구와 검증이 필요하죠.

 

또한 앞에서 말했듯이, 상대성 이론의 '시공간' 개념과 어떻게 조화를 이룰 것인지도 여전히 큰 숙제로 남아 있습니다.

 

따라서 이번의 결과가 앞으로 우주 전체를 설명하는 이론이 될 수 있을지는, 아직 더 지켜볼 필요가 있어 보입니다.

 

그럼에도 이 연구가 주목받고 있는 이유는 큐비트가 처음에 어떤 상태인지 몰라도, 그리고 내가 지금 어떤 공간에서 실험하는지 몰라도, 오직 시간에 따른 측정 결과들의 연관성만 분석하면 3차원 공간의 기본 구조가 저절로 드러나기 때문인데요.

 

이 발견은 단순히 물리학을 넘어서 우리가 세상을 어떻게 인식하고, 그리고 '공간이란 무엇인가'와 같은 철학적, 이론적 분야에서 중요한 과제를 남겨주고 있기 때문입니다.

 

과연 '시공간의 진짜 본질은 무엇일까요?', '어째서 상대성 이론은 시간과 공간을 하나로 묶어놓았건 걸까요?'

 

이번 연구는, 인류의 가장 근본적인 질문에 답을 찾는데, 아주 중요한 실마리를 제공해 줄 수 있을지도 모릅니다.