양자역학에 허수가 반드시 필요한가—HHU·DLR 연구팀, 실수 기반 이론 가능성 제시
원제: Study Finds Imaginary Numbers May Not Be Essential to Quantum Mechanics
독일 하인리히 하이네 대학교(HHU)와 독일항공우주센터(DLR) 공동 연구팀이 Physical Review Letters에 게재한 논문에서, 표준 양자역학과 실험적으로 구별되지 않으면서도 허수 없이 실수만으로 완전히 기술 가능한 이론 부류가 존재함을 이론적으로 보였다.
저자: Mohib Ur Rehman

양자역학과 복소수: 오래된 수학적 선택
양자역학은 원자·아원자 입자 세계를 기술하는 물리 이론으로, 20세기 초 막스 플랑크, 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거 등을 거치며 체계화됐다. 이 이론의 표준 수학 도구인 복소수는 실수부와 허수부 두 좌표로 구성된다. 양자 상태의 진폭은 실수 성분으로, 위상은 허수 성분으로 표현되며, 이중 슬릿 회절, 터널링 효과, 얽힘, 결맞음 등 다양한 현상을 기술하는 데 활용된다. 복소수가 단순한 계산 편의 도구인지, 아니면 물리적으로 불가결한 구조인지는 오랫동안 논쟁의 대상이었다.
2021년 'Nature' 논문이 세운 기준점
2021년 Renou 등은 Nature지(600권, 625호)에서 표준 공리 체계를 전제했을 때 양자역학은 복소수 없이는 성립할 수 없다고 결론 내렸다. 이 주장은 이후 실험적으로도 검증되며 학계에서 일정한 공감대를 형성했다. 그러나 연구자들 사이에서는 해당 결론의 전제가 되는 공리 선택 자체의 적절성에 대한 의문이 지속적으로 제기됐다.
HHU·DLR 연구팀의 접근: 공리 하나를 바꾸다
다그마르 브루스 교수와 박사과정 연구자 페드로 바리오스 히타를 중심으로 한 HHU·DLR 연구팀은 2021년 연구와 동일한 공리 집합을 출발점으로 삼았다. 이들은 그 공리들 중 계(system) 합성을 형식화하는 방식이 물리적으로 지나치게 제한적임을 확인했다. 연구팀은 이를 물리적으로 동기 부여된 대안 공리로 교체함으로써, 허수 없이 실수만으로 구성된 이론 부류를 도출했다. 이 이론 부류는 표준 양자역학과 실험 예측 결과에서 전혀 구별되지 않는다는 점이 핵심이다.
결과의 의미와 남겨진 과제
이번 연구는 복소수가 양자역학의 물리적 필수 요소가 아니라 특정 공리 선택 아래에서 나타나는 수학적 필요성일 수 있음을 시사한다. 단, 이 결과가 허수의 물리적 실재성 문제에 대한 최종 답을 제공하는 것은 아니다. 공리 체계를 어떻게 설정하느냐에 따라 결론이 달라질 수 있어, 양자역학의 수학적 토대를 둘러싼 논의는 계속될 전망이다. 미국물리학회(APS)는 해당 논문을 Physics Magazine의 'highlight'로 선정해 주목할 성과로 평가했다.
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