미래가 과거에 영향을 준다는 최초의 과학적 증거. 과학자들이 마침내 관측한 '역인과율'

 

 

 

이 세상의 모든 물체는 정해진 시간, 단 하나의 위치에만 존재합니다.

 

여러분 앞에 커피잔이 하나 놓여있다고 가정해 봅시다.

 

그 잔은 지금 어디에 있나요? 아마 책상 위거나, 여러분의 손안에 있겠죠.

 

하지만 커피잔이 여러분의 손안에 있으면서, 동시에 책상 위에 있을 수도 있을까요?

 

당연히 그럴 수는 없습니다. 이것은 우리가 아는 현실의 기본 전제입니다.

 

하지만 만약에, 이 모든 것들이 거대한 착각이었다면 어떨까요?

 

우리가 아는 현실이, 사실은 더 깊고 기묘한 진실의 표면에 불과하다면 말입니다.

 

오늘, 우리는 인류가 발견한 가장 심오하고도 혼란스러운 미스터리의 중심으로 여정을 떠나려 합니다.

 

바로 작은 입자 하나가 우리에게 폭로한, 현실의 진짜 모습에 대한 이야기입니다.

 

이번 연구는 arXiv 2025년 5월 1일 자에 게재되었습니다.

 

 

 

 

 

 

Part 1. 이해할 수 없는 빛

 

 

모든 이야기는 하나의 유명한 실험, '이중 슬릿 실험'에서 시작됩니다.

 

한번 상상해 봅시다.

 

두 개의 좁고 긴 틈이 있는 벽을 향해, 아주 작은 모래알을 하나씩 던진다고 말이죠.

 

던져진 모래알은 둘 중 하나의 틈을 통과해, 벽 뒤 스크린에 부딪히게 됩니다.

 

이 과정을 수 없이 반복하면 어떤 모양이 스크린에 남게 될까요? 결과는 명백합니다.

 

모래알이 통과한 두 개의 틈 바로 뒤에만 자국이 남아, 두 줄의 선명한 띠가 만들어지게 되겠죠.

 

이것이 바로 우리 세계를 지배하는 아주 상식적인 논리입니다.

 

하지만 이 절대적인 상식은, 우리가 세상의 가장 작은 단위인 '양자'의 세계를 엿보는 순간, 송두리째 흔들리기 시작하게 되는데요.

 

과학자들은 이와 똑같은 실험을 모래알이 아닌, '광자'나 '전자'와 같은 미립자를 이용해 수행했습니다.

 

또한 혼란을 막기 위해, 입자를 '한 번에 하나씩만' 발사하며, 뒤쪽 스크린에 남는 흔적들을 관찰해 봤죠.

 

잠시 후, 스크린에 나타난 결과는 우리의 상식에 대한 배신이었습니다.

 

 

그곳에는 두 줄의 띠가 아닌, 수많은 밝고 어두운 줄무늬가 교차하는 기묘한 '간섭 무늬'가 펼쳐져 있었습니다.

 

이 무늬는 파동이 두개의 틈을 '동시에' 지나가며, 서로에게 영향을 줄 때 나타날 수 있는 패턴입니다.

 

여기서부터 우리의 이성은 길을 잃게 됩니다.

 

앞에서 설명했듯이, 입자는 분명히 하나씩만 발사되었습니다.

 

그렇다면 대체 무엇이 무엇과 간섭하여, 이런 간섭무늬를 만들어냈다는 말일까요?

 

수많은 과학자들이 내린 결론은 단 하나, 상상조차 하기 힘든 내용이었습니다.

 

 

"입자가 '자기 자신'과 간섭했다"

 

 

하지만 이 결론이 의미하는 바는 훨씬 더 충격적이었는데요.

 

단 하나의 입자는 이동하는 동안 마치 유령처럼 두 개의 슬릿을 '동시에' 통과했고, 그렇게 나뉜 두 개의 가능성이 서로를 간섭하여 스크린에 흔적을 남겼다는 겁니다.

 

이처럼 하나의 입자가 관측되기 전까지, 가능한 모든 경로와 상태를 동시에 품고 있는 상태.

 

양자물리학은 이러한 상태를 '중첩(Superposition)'이라고 부릅니다.

 

 

 

Part 2. 관찰이라는 이름의 마법 

 

이 유령 같은 입자의 행동에 과학자들은 또 다른 질문을 던졌습니다.

 

 

"좋아, 그렇다면 광자가 정말로 두 슬릿을 동시에 통과하는지, 우리가 직접 확인해 보면 어떨까?"

 

 

이를 위해 과학자들은, 슬릿 바로 옆에 일종의 '감시 카메라', 즉 입자가 어느 슬릿을 통과하는지 확인할 수 있는, 정밀 검출기를 설치했습니다.

 

그리고 바로 그 순간, 양자 세계의 가장 깊고 기묘한 미스터리가 그 모습을 드러내기 시작했는데요.

 

검출기를 통해 '어느 슬릿을 통과하는지 지켜보자', 입자는 마치 우리의 시선을 알아채기라도 한 듯, 갑자기 얌전한 '입자'처럼 행동하기 시작했습니다.

 

중첩 상태는 온데간데없이 사라지고, 언제나 둘 중 하나의 슬릿만을 명확하게 통과하고 있었죠.

 

하지만 더욱 놀라운 것은, 그 뒤에 설치된 스크린에 나타난 광자들의 흔적이었습니다.

 

마치 마법처럼, 그토록 선명했던 간섭 무늬는 완전히 사라지고, 우리가 맨 처음에 모래알을 던졌을 때와 똑같은, 평범하고 지루한 '두 줄의 띠'만 남아 있었습니다.

 

'관찰하는 행위가 현상 자체를 바꿔버린다'라는 이 불가사의한 현상.

 

이 이해할 수 없는 현상을 설명하기 위해, 지난 수십 년간 두 개의 거대한 가설이 팽팽하게 맞서왔는데요.

 

그 가설 중 하나는 닐스 보어 등이 주창한 '코펜하겐 해석' 입니다.

 

이 해석의 주장은 아주 대담하고 명쾌합니다.

 

 

 

"관찰하기 전에는, 입자가 어떤 경로를 지났는지 묻는 것 자체가 무의미하다".

 

 

즉, 입자는 그저 '가능성의 구름'처럼 파동으로 퍼져있으며, '관찰'이라는 행위와 부딪히는 순간 모든 가능성의 파동이 순식간에 붕괴하여, 우리가 볼 수 있는 단 하나의 현실로 확정된다라는 설명입니다.

 

우리가 입자를 '보는' 행위는 단순히 정보를 얻는 것을 넘어, 입자의 운명을 결정짓는 창조적인 행위나 다름 없다는 말이죠.

 

하지만 관찰이라는 행위가 왜 그토록 특별한 지위를 갖는지에 대한 찜찜함은 여전히 남아 있습니다.

 

그래서 일부 물리학자들은 이보다 훨씬 더 대담하고 기이한 가설을 내놓게 되는데요.

 

이 가설이 바로 '다세계 해석' 입니다.

 

이 해석의 주장은 충격적일 만큼 단순합니다.

 

 

"모든 가능성은 전부 현실이 된다"

 

 

 

관찰이 이루어지는 순간 가능성이 하나로 붕괴하는 것이 아니라, 오히려 각각의 가능성을 실현시키는 방향으로, 우주 전체가 나뭇가지처럼 갈라져 나간다는 가설입니다.

 

그 유명한 '슈뢰딩거의 고양이' 실험을 예로 들면, 상자를 여는 순간 고양이가 살아있는 우주와 죽어있는 우주로 나뉘며, 상자를 연 '당신' 또한 두 명으로 나뉘어 각각의 우주에 존재하게 된다는 거죠.

 

살아있는 고양이를 본 당신과 죽은 고양이를 본 당신은 서로 다른 우주에 속해 있기 때문에, 영원히 만날 수 없을 뿐입니다.

 

즉, 이중 슬릿의 간섭 무늬는 모든 가능성이 담긴 파동이라는 '확률의 흔적'이며, 그 무늬의 모든 지점들이 각각의 평행 우주에서 실제로 실현되었음을 보여주는 증거라는 겁니다.

 

하지만 이 두 거대한 가설에게는, 공통적으로 아주 오랫동안 넘을 수 없었던 벽이 존재하고 있었는데요.

 

그 벽은 바로 '실험적으로 어느 쪽이 맞는지 증명할 방법이 없다'라는 겁니다.

 

어떤 해석을 지지하든, 우리가 실험실에서 최종적으로 '관측'하는 현상 자체는 완벽하게 동일합니다.

 

그래서 이 논쟁은 과학이 아닌 철학의 영역으로 여겨지기도 했었죠.

 

 

 

Part 3. 금단의 무대 뒤를 엿보다.

 

하지만 최근, 과학자들은 이 난공불락의 과제를 풀기 위한 혁신적인 열쇠를 손에 쥐게 되었습니다.

 

그 열쇠는 바로 '약한 측정(Weak Measurement)'이라는 기술이었는데요.

 

이 기술은 이름 그대로, 광자에게 아주 미약한 영향을 줘서, 광자의 경로를 훔쳐보는 기술입니다.

 

이를 위해 연구팀은, 광자가 통과할 각 슬릿에 빛의 진동 방향을 서로 다른 쪽으로 살짝 바꾸는, 교묘한 장치를 설치했죠.

 

왼쪽 슬릿을 지나는 광자는 시계 방향으로, 오른쪽을 슬릿을 지나는 광자는 반시계 방향으로 미세한 '표식'을 남기도록 말입니다.

 

여기서 핵심은, 이 편광 조작이 광자의 경로를 결정짓는 '원인'이 아니라는 점인데요.

 

편광 조작은 단순히 광자의 경로를 추적하기 위한, '마킹(Marking)' 의 용도로만 이용되었습니다.

 

즉, 최종적으로 스크린에 도착한 광자의 편광 상태를 분석해서, 광자가 어떤 경로를 경로를 거쳐왔는지 그 흔적을 알아내기 위함이었죠.

 

만약 광자의 흔적에서 편광 상태가 크게 나타나면, 광자가 한쪽 경로로만 지났다는 얘기가 됩니다.

 

반대로 편광 상태가 나타나지 않는다면, 광자가 두 경로를 동시에 지나면서 양쪽 편광 조작이 서로 상쇄되었다는 것을 의미하게 됩니다.

 

자, 이렇게 모든 준비는 끝났습니다.

 

최종 광자에 남게될 편광의 흔적이 '크냐, 작냐'에 따라, 이 유령의 진짜 동선이 드러나게 될 텐데요.

 

과연 광자는 정확히 이중 슬릿의 어느 경로로 통과하고 있었던 걸까요? 

 

마침내, 수많은 광자들이 편광 표식이 설치된 슬릿을 향해 발사되기 시작했습니다.

 

 

 

Part 4. 두 개의 서로 다른 과거

 

마침내 스크린에 수많은 광자의 흔적이 남게 되었습니다.

 

그리고 과학자들은 간섭 무늬가 가장 밝게 나타난 곳부터 분석에 들어가기 시작했죠.

 

결과는 명확했습니다.

 

이곳에 도착한 광자들에게서는 '편광 조작에 의한 흔들림이 거의 발견되지 않았습니다'.

 

이것은 두 가지 사실을 명백하게 증명하는 것이었는데요.

 

 

첫째, 광자는 두 경로를 동시에 통과하며 양쪽 슬릿의 편광 효과를 서로 상쇄시켰다는 것.

 

둘째, 이 광자들이 왼쪽과 오른쪽에 정확히 +0.5씩, 완벽히 균등한 '균형 잡힌 파동'의 형태로 존재했다는 겁니다.

 

 

이로써 그동안 이론 속에만 머물렀던, 이중 슬릿에서 광자가 이동하는 실제 모습이 처음으로 확인되었습니다.

 

하지만 진짜 기묘한 이야기는, 아무도 예상치 못한 '어두운 무늬'에서 시작되는데요.

 

과학자들은 스크린의 구석, 어두운 영역에, 이론상으로 불가능한 광자의 흔적을 발견했습니다.

 

그리고 이곳에서 발견된 특별한 광자들을 분석한 결과, 이들은 전혀 다른 과거를 가지고 있다는 사실을 알게 되었죠.

 

이들의 편광 데이터는 매우 크게 흔들려 있는, '편광 요동' 상태를 보이고 있었습니다.

 

 

 

이러한 편광 요동의 흔적은, 이 광자들이 이중 슬릿을 균등하게 통과하지 않았음을 의미하고 있었습니다.

 

즉, 광자가 파동의 형태로 두 슬릿을 동시에 통과하기는 했지만, 그 존재감이 A 경로에서는 +1.3만큼 증폭되었고, 동시에 B경로에서는 -0.3만큼 감소하는, 즉 '음의 존재감'을 띠는 기이한 상태로 통과했던 거죠.

 

바로 이 기묘한 불균형 상태가, 팽팽했던 힘의 균형을 무너뜨려, 일부 광자를 스크린의 어두운 영역으로 이끌었던 겁니다.

 

이러한 결과는 이번 실험이, 기존의 이중 슬릿 실험을 뛰어넘는 위대한 성과임을 보여주고 있는데요.

 

기존의 실험은 우리에게 '광자가 파동처럼 두 경로를 동시에 지난다'는 사실 하나만을 알려주었습니다.

 

이를 통해 우리는 모든 광자가 동일한 방식으로 행동한다고 막연히 생각해 왔었죠.

 

하지만 이번 실험은 여기서 한 걸음 더 나아가, 그 '동시에 지나는 방식'에 여러 종류가 있다는 것을 최초로 보여주었습니다.

 

대부분의 광자는 두 경로에 공평하게 자신을 분배하는 '균형 잡힌' 방식으로 지나가지만, 아주 일부는 한쪽으로 존재감을 극단적으로 쏠리게 하는 '치우쳐진' 방식으로 지나간다는 사실을 말입니다.

 

결국 이번 실험은, 우리가 '중첩'이라고 뭉뚱그려 불렀던 현상 속에, 우리가 미처 몰랐던 더 복잡하고 기묘한 규칙들이 숨어있었음을 새롭게 깨닫게 해주었습니다.

 

 

 

Part 5. 시간을 거스르는 '역인과율'

 

그렇다면 여기서 한가지 궁금증이 생기게 됩니다.

 

똑같은 조건에서 출발한 광자가, 왜 어떤 놈은 '균형 잡힌 파동'이 되고, 어떤 놈은 '치우쳐진 파동'이 되었을까요?

 

이 질문에 답하기 전에, 우리는 양자역학의 가장 근본적인 원칙을 다시 한번 떠올려 봐야 합니다.

 

바로, 관측되기 전까지 광자의 상태는 정해져 있지 않다는 사실을 말입니다.

 

다만, 광자가 '슬릿을 통과했다'는 역사적 사실과, '그때 편광의 영향을 받았다'는 사실은 명백합니다.

 

하지만 그 영향의 결과로 '어떤 상태가 되었는가' 하는 구체적인 내용은, 미래에 스크린과 상호작용하여 '관측'이라는 사건이 일어나기 전까지는, 영원히 모든 가능성이 중첩된 상태로 남아있게 되죠.

 

'양쪽 슬릿'으로 동시에 지나갈 확률, '한쪽 슬릿으로만' 지나갈 확률 등, 수많은 가능성들이 하나의 파동 안에 모두 담겨 있는 겁니다.

 

그렇다면 이 무한한 가능성 중 무엇이 현실이 될지는 언제, 어떻게 결정되는 걸까요?

 

바로 광자가 스크린의 특정 원자와 부딪히는 그 찰나, 즉 '최종 결과'가 나타나는 순간입니다.

 

 

양자역학에서 이 순간은 바로 '관측'에 해당하며, 이 돌이킬 수 없는 상호작용이 일어나는 순간, 광자의 모든 가능성은 단 하나로 붕괴하고 명확한 '사실'이 우주에 기록됩니다.

 

그리고 바로 그 순간, 그 미래의 결과와 모순되지 않는 단 하나의 '과거'가 함께 결정이 되는 거죠.

 

우리가 스크린에서 분석한 '치우쳐진 편광'의 흔적은, 바로 이렇게 미래의 결과에 의해 나중에 확정된 과거의 모습이었던 겁니다.

 

그리고 여기서 슬릿에 설치했던 편광 장치의 진짜 역할이 드러나게 되는데요.

 

편광 장치는 광자의 경로를 결정하는 원인이 아니었습니다.

 

그것은, 미래의 관측에 의해 과거가 결정되었을 때, "대체 어떤 과거로 결정되었는가?"를 우리가 읽어낼 수 있도록 해주는, 일종의 '상태 확인 장치'였을 뿐이죠.

 

바로 이 지점에서, 우리는 이번 실험이 기존 실험과 무엇이 다른지를 짚고 넘어가야 합니다.

 

기존의 이중 슬릿 실험과 대체 무엇이 달랐기에, 우리는 감히 '미래가 과거를 결정한다'는 이야기까지 할 수 있게 되는 걸까요?

 

기존 실험의 한계는 '과정'과 '결과'를 동시에 볼 수 없다는 점이었습니다.

 

경로를 관측하면 간섭 무늬가 사라지고, 간섭 무늬를 보면 정확한 경로를 알 수가 없었죠.

 

하지만 이번 '약한 측정'을 이용한 실험은, 간섭 무늬라는 '결과'를 보존하면서도, 경로에 대한 희미한 '과정의 흔적'을 동시에 얻는 데 사상 최초로 성공하게 된 겁니다.

 

그리고 이 둘을 짝지어 본 결과, '미래의 도착지'와 '과거의 경로 상태' 사이에 완벽한 상관관계가 있음을 발견한 겁니다.

 

이 상관관계 데이터가 바로, '역인과성'이라는 개념의 문을 열게 된 것이죠.

 

이 놀라운 발견을 바탕으로 우리는 마침내 위대한 결론에 도달하게 됩니다.

 

 

영화 <테넷>을 떠올리게 하는 '역인과성(Retrocausality)' 의 개념이 우리 눈앞에 펼쳐지게 되는 순간인데요.

 

즉, 스크린 도착이라는 '미래의 결과'가, 시간을 거슬러 '과거의 경로'를 결정한다는 이 기묘한 원리가, 실제로 우리 세계에서 작동하고 있음을 데이터로 명확히 증명해낸 겁니다.

 

'관측'이 있기 전까지는 '정해진 사실' 자체가 존재하지 않는다는 것.

 

이것이 바로 받아들이기 어렵지만, 수많은 실험이 증명하고 있는 이 세계의 기묘한 진실입니다.

 

 

Part 6. 현실의 재구성

 

그렇다면 우리는 이 현상이 '왜' 일어나는가 하는 궁금증이 생기게 됩니다.

 

이에 대해 현대 물리학은 이렇게 답합니다.

 

 

"이유는 없다. 그것이 바로 자연의 근본적인 무작위성이다."

 

 

모든 광자는 완벽하게 동일한 상태로 출발했습니다.

 

하지만 우주는 마지막 순간에 확률의 주사위를 던졌고, 어떤 광자는 '간섭 무늬를 만든다'는 높은 확률에 '당첨'되었습니다.

 

반면, 다른 광자는 '어두운 곳에 도달하고, 치우쳐진 과거를 갖는다'는 아주 낮은 확률의 결과에 '당첨'되었을 뿐이죠.

 

결론적으로, 이 모든 현상은 우리에게 현실에 대한 새로운 관점을 제시하고 있습니다.

 

광자의 경로 즉, '과거'는 미리 정해져 있는 것이 아니었다는 겁니다.

 

그것은 스크린의 어디에 도달할 것이냐는 '미래'의 결과와 완벽하게 연결되어 있었죠.

 

우리는 그저 이미 존재하는 과거의 사실을 '확인'하는 관객이 아니라, 우리의 관측 행위가 입자의 과거를 완성시키는 '참여자'였던 셈입니다.

 

 

우리가 늘 한 방향으로만 흐른다고 믿어왔던 시간, 그리고 원인이 결과를 낳는다는 상식.

 

이 작은 광자가 보여준 세계에서는, 미래의 '어디서 발견될 것인가'라는 정보가, 시간을 거슬러 올라가 과거의 '어떻게 존재했는가'를 결정했습니다.

 

그렇다면 우리가 경험하는 이 순간들은, 이미 정해진 미래의 어떤 결과가 만들어낸 과거의 한 장면은 아닐까요?

 

당신의 '지금'은, 어쩌면 미래의 당신이 보낸 희미한 신호에 의해 조각된 것인지도 모릅니다.

 

시간의 흐름, 그리고 현실이라는 것의 본질에 대해, 양자역학은 가장 근원적인 질문을 던지고 있습니다.

 

 

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