출처:

http://phys.org/news/2013-11-physicists-quantum-cheshire-cats-paradoxes.html

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1865년에 루이스 캐롤이 쓴 이상한 나라의 앨리스를 보면, 웃는 얼굴의 체샤이어 고양이가 나온다.

이 소설에서 체샤이어 고양이는 자신의 몸을 투명하게 만들 수 있다.

하지만 고양이의 몸이 투명해진 뒤에도 웃는 표정은 여전히 눈에 보인다.

이를 목격한 앨리스는 다음과 같이 말한다.

"찌푸린 얼굴의 고양이는 본 적 있지만 고양이가 보이지 않는 미소는 본 적이 없어!"

최근 New Journal of Physics에 실린 논문에 따르면, 빛의 위치와 빛의 편광방향은 

마치 체샤이어 고양이의 몸과 그 미소에 비유할 수 있다고 한다.

다시 말해서, "빛의 편광방향은 빛이 없는 곳에서도 존재할 수 있다"

아주 기분을 이상하게 만드는 실험

양자학적 체샤이어 고양이의 패러독스를 보여주는 실험 장치의 개념도

빛은 간섭계의 왼쪽(left arm)에서 감지되지만, 빛의 편광방향은 간섭계의 오른쪽(right arm)에서 측정된다.

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논문에서 제안한 실험장치 모델을 이용하여 물리학자들은 광자가 100%의 확률로 간섭계 왼쪽으로 이동하고 있어도

그 광자의 편광방향은 간섭계의 오른쪽에서 관측될 수 있다는 것을 보였다(빛이 오른쪽으로 갈 확률은 0%이다).

다시 말해서 빛의 위치와 빛의 편광방향이 서로 따로따로 논다는 것이다.

하지만 논문에서 제안한 실험 방법에는 미심쩍은 부분이 하나 있다.

이 실험에서는 광자의 위치와 광자의 편광방향을 동시에 측정하지 않고 각각 다른 시점에 측정한다.

따라서 광자의 편광방향을 측정할 경우 그 측정행위로 인해 광자들이 오른쪽으로 방향을 바꿀 수 있지 않냐는 의문이 제기된다.

이러한 의문에 답하기 위해 물리학자들은 두 가지 실험방법을 더 제시했다.

1) 광자의 위치와 편광방향을 동시에 측정한다

이 경우에는 광자가 오른쪽으로 방향을 튼다.

2) "약한" 측정을 수행한다(perform "weak" measurement)

쉽게 말해서 CCD 카메라와 광학 소자를 센서로 이용하는 것이다. 

(참고로 이 방법을 사용하면 정확한 결과값은 안 나오지만, 측정행위로 인한 교란을 최소화할 수 있다)

CCD 카메라와 광학 소자를 이용하여 빛의 위치와 편광방향을 동시에 측정할 경우

빛 자체는 간섭계의 왼쪽에서 감지되는 반면 빛의 편광방향은 간섭계의 오른쪽에서 측정된다.

이는 양자역학에서 측정대상이 가진 물리적 속성을 그 측정대상에서 따로 분리해낼 수 있음을 의미한다.

양자역학적 체샤이어 고양이 현상은 비단 광자의 위치 및 편광방향뿐만 아니라 전자의 위치와 스핀, 

원자의 위치와 내부 에너지에도 적용될 수 있다.

논문에서 제안한 광학 실험장치는 현재의 기술 수준으로 제작이 가능하나,

전자를 대상으로 한 실험장치를 만드는 것은 아직 불가능하다.

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이러한 양자역학적 체샤이어 고양이 현상은 수많은 의문을 낳는다.

전자에서 따로 분리된 전자의 전하(charge)와 질량은 주변의 전자들에게 어떠한 영향을 끼칠 것인가?

내부에너지가 따로 분리된 원자의 중력장은 어떠한 모습을 하고 있을 것인가?

편광방향이 따로 분리된 광자들은 자신의 편광방향을 다른 대상에 전달(impart)하거나

다른 물체에 복사압(radiation pressure)을 가할 수 있을 것인가?

양자학적 체샤이어 고양이 현상은 정밀한 측정실험에도 유용하게 사용될 수 있다.

예를 들어서, 만일 입자가 가진 전하(charge)가 측정실험에 방해가 될 경우에는,

입자로부터 전하를 따로 떼내어 특정한 장소에 가둬놓을 수 있다.

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때는 바야흐로 2752년.

어느 가정집의 텔레비전에서 인공지능 뉴스앵커의 목소리가 흘러나온다.

"안녕하십니까 9시 뉴스입니다.

양자학적 체샤이어 고양이 현상을 이용하여 양념치킨맛을 훔쳐온 절도단이 붙잡혔습니다.

이 절도단은 6곳의 치킨집에 침입하여 총 30kg에 달하는 양념치킨의 맛을 훔친 혐의를 받고 있습니다.

절도 행위가 발각된 것은 지난 23일.

치킨집에서 양념치킨을 배달하여 먹은 시민들이 

'분명히 생화학적으로는 양념치킨이 맞는데 아무 맛도 느껴지지 않는다'라는 신고가 쇄도하여..." 

(  -_-)a