사람이나 물건을 순식간에 먼 거리로 전송하는 이른바 '텔레포트 장치'는

영화 『스타트렉』을 비롯하여 공상과학 소설이나 공상과학영화의 단골 소제가 된지 오래이다. 이러한 환상적인 장비가 과연,

환상 속의 이야기일 뿐일까? 아니면 현실에서 가능한 이야기인가?

이론적 가능성과 역사적 사건

공간이동은 양자역학의 불확정성 원리에 위배되는 것처럼 보이기 때문에 한동안 물리학자들의 관심을 끌지 못했다. 물체를 이동시키기 위해선 일단 원자의 복제품을 만들어야 하는 데 복제품을 만들기 위해 원자를 관측하는 행위 자체가 원자를 교란시키기 때문에 원복과 완전히 똑 같은 원자를 만드는 것은 원리적으로 불가능하다고 생각했던 것이다.

하지만 과학자들은 1935년 아인슈타인과 포돌스키 그리고 로젠(EPR)이 양자역학의 한계를 역설하기 위해 제안했던 역설적인 실험에 의해 일단의 과학자들은 이 논리의 허점을 발견했다. 이를 양자적 얽힘 혹은 EPR역설이라 한다.

그 역설의 내용은 이러하다.

두 사람이 제비 뽑기를 하고 있다고 가정해 보자. 제비는 당첨과 꽝이 각각 적혀있는데 이 제비를 두 사람이 하나씩 뽑았다고 할 때 두 사람 모두 손을 펼쳐 제비를 확인하기 전엔 누구의 제비가 당첨인지 그리고 꽝인지 알 수 없다.

제비를 뽑고 두 사람은 각각 한국과 미국으로 건너 갔을 때 두 사람은 각자의 제비를 확인하였다. 이때 A의 제비가 당첨제비를 뽑았다면 B의 제비는 확인해 보지 않아도 꽝임을 알 수 있다. 한 사람의 관측만으로 다른 제비는 자동으로 결정 되는 것이다. 아는 곧 '한 제비의 당첨여부를 알면 다른 제비도 즉각적으로 알아낼 수 있다.'는 것을 의미한다.

1964년 물리학자 존 벨은 이 EPR 역설을 전자를 이용하여 실험적으로 확인하는 방법을 개발하였는데, 결과적으로 그는 두 전자 사이에 어떤 양자역학적 산술적 관계가 성립함을 증명하였는데, 정말 이러한 형태의 정보는 빛보다 빠르게 전달되고 있었던 것이다.

이것은 모든 물체와 정보는 빛보다 빠르게 이동할 수 없다 는 특수상대성 이론에 위배되는 결과를 갖게 된다.

공간이동하기

어떤 형태의 정보는 빛보다 빠르게 이동함을 증명함으로써 특수상대성이론와 모순 되는 것처럼 보이지만 한계가 있다.

이런 방법을 이용한 정보의 전달은 구체적인 메시지들 예를 들어 모르스 부호 등을 전달 할 수 없다.

예를 들어 필자가 매일 아침마다 한 쪽 발엔 초록색 양말을 그리고 다른 쪽엔 파란색 양말을 신는 버릇을 가졌다고 생각해보자. 그런데 이 양말의 좌우관계는 필자 마음대로 결정하여 무작위로 선택된다. 그런데 어느 날 당신이 필자의 왼쪽 양말의 색이 파란색임을 발견했다면 오른쪽은 보지 않아도 녹색양말 임을 빛보다 빠르게 접수 할 수 있다. 하지만 이 사실을 알았다고 해도 이를 통해 어떤 의미 있는 정보를 전달하기란 불가능하다.

정보를 알아내는 것과 전송하는 것은 엄연히 다른 행위이기 때문이다.

하지만 우주는 백뱅을 통해 원자보다 작은 크기에서 탄생하였다. 때문에 우리의 몸을 이루고 있는 원자들은 모종의 우주적 연결망을 통하여 우주 저편에 있는 원자들과 어떤 방식으로든 연결되어 있을 것이다. 비유적으로 표현하자면 우주전체는 한 가지의 제비뽑기 상자 속에서 뽑혀진 제비와 같기 때문에 우주의 모든 원자들은 일종의 탯줄로 연결되어 있는 쌍둥이와 같아서 이들 중 한쪽에 어떤 일이 일어나면 다른 한쪽의 정보도 즉각적으로 알려진다.

이를 바탕으로 1997년과 1998년 칼택과 텐마크 오르후스대학, 그리고 웨일스대학의 과학자들은 광자 하나를 책상 너머로 공간이동 시키는데 성공했다.

공간이동 실험

공간이동 실험을 하려면 세 개의 대상(A, B, C)이 필요하다. 여기서 B와 C는 양자적으로 얽혀 있다. 때문에 B와C는 아무리 벌려놓아도 이 관계는 변하지 않는다. 이런 조건에서 A와 B를 접촉시키면 A의 정보다 B로 옮겨가면서 멀리 있는 C도 동일한 정보를 획득하게 된다. 즉, C가 A의 복사본으로 변하는 것이다. 여기서 원본인 A는 C와 접촉하면서 양자역학적 특성에 의해 본래의 특성을 잃어 버리게 되는데 이것은 A가 C로 공간이동한것과 동일한 결과이다.

양자적 공간이동 기술은 빠르게 발전하고 있다. 2003년에 스위스 제네바의 과학자들은 광케이블을 이용하여 광자를 약 2km 거리까지 공간이동시키는데 성공하였다.

2004년에는 미국표준기술연구소NIST의 과학자들이 베릴륨 원자 하나를 통째로 공간이동 시키는데 성공하였다.

하지만 눈에 보이는 커다란 물체를 이동시키는 것은 아직 불가능하다.

공간이동의 몇 가지 문제점

양자적 공간이동의 응용분야는 실로 무궁무진하다. 하지만 몇 가지 기술적인 문제가 존재한다.

첫 째는 양자적 공간이동에도 상대성이론이 적용되기 때문에 물체를 빛보다 빠르게 이동시킬 수 없다. 다시 말해 A를 이동시키기 위해선 C와 접촉해야 하는데 이것은 임의의 위치로의 공간이동이 아닌 공간이동의 도착지점에 일종의 이동장치에 존재해야 함을 말한다.

둘 째는 위의 B와C와 같은 양자적으로 얽혀있는 상태를 모든 물체에 대하여 성립해야 한다는 것이다.

하지만 21세기가 끝나기 전 일류는 바이러스를 통째로 공간이동 할 수 있을 것이다.