# 위그너의 친구 > [!abstract] 목차 > 1. [[#개요]] > 2. [[#역사적 배경]] > - [[#유진 위그너]] > - [[#1961년 논문]] > - [[#폰 노이만 연쇄와의 관계]] > 3. [[#사고실험의 구조]] > - [[#실험 설정]] > - [[#두 관점의 충돌]] > - [[#핵심 역설]] > 4. [[#의식과 붕괴]] > - [[#폰 노이만-위그너 해석]] > - [[#의식 필요론의 문제]] > - [[#위그너의 입장 변화]] > 5. [[#해석별 응답]] > - [[#코펜하겐 해석]] > - [[#다세계 해석]] > - [[#관계적 양자역학]] > - [[#QBism]] > 6. [[#현대적 발전]] > - [[#도이치의 확장]] > - [[#프라우히거-레너 역설]] > - [[#브루크너의 no-go 정리]] > 7. [[#관찰자의 기록]] > 8. [[#같이 읽기]] ## 개요 **위그너의 친구**(Wigner's friend)는 1961년 헝가리 태생 미국 물리학자 유진 위그너(Eugene Wigner)가 제안한 양자역학의 사고실험이다. [[슈뢰딩거의 고양이]]를 변형한 것으로, 고양이 대신 의식 있는 관찰자—"친구"—가 밀폐된 실험실에서 양자 측정을 수행한다. 친구 관점에서 측정 결과는 확정되지만, 실험실 밖의 위그너 관점에서 친구는 여전히 양자 중첩 상태에 있다. 두 관점이 모순처럼 보인다. 이 사고실험은 양자역학의 [[측정 문제]]에서 "관찰자"의 역할을 부각시킨다. 측정이란 무엇인가? 누가 관찰자인가? 의식이 파동함수 붕괴에 필수적인가? 위그너는 한때 의식이 붕괴를 야기한다고 주장했다—"폰 노이만-위그너 해석"으로 알려진 입장이다. 그러나 그는 1970-80년대에 이 입장을 철회했다. 위그너의 친구는 2018년 프라우히거-레너(Frauchiger-Renner) 역설과 2020년 브루크너의 no-go 정리 등 현대적 발전으로 다시 주목받고 있다. 이 확장된 사고실험들은 양자역학이 자기 자신을 일관되게 기술할 수 있는지에 대한 근본적 질문을 제기한다. 관측 결과의 "객관성"이 관찰자에 상대적일 수 있다는 시사—이것은 물리학의 전통적 실재론에 도전한다. ## 역사적 배경 ### 유진 위그너 유진 위그너(Eugene Paul Wigner, 1902-1995)는 헝가리 부다페스트 출신의 이론물리학자이자 수학자이다. 1963년 원자핵과 기본 입자 이론, 특히 대칭 원리의 발견과 응용으로 노벨 물리학상을 수상했다. 위그너는 양자역학의 수학적 기초에 중요한 기여를 했다. 군론(group theory)의 물리학 응용, 위그너 정리(Wigner's theorem), 위그너 분포(Wigner distribution) 등이 그의 업적이다. 그는 [[존 폰 노이만]](John von Neumann)과 가까운 동료였으며, 두 사람은 부다페스트에서 같은 학교를 다녔다. 위그너는 철학적 문제에도 관심이 많았다. 그는 "자연과학에서 수학의 불합리한 효율성"(The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences, 1960)이라는 유명한 에세이를 썼다. 양자역학에서 의식의 역할에 대한 그의 사색은 물리학과 철학, 심지어 종교의 경계를 넘나들었다. ### 1961년 논문 위그너의 친구 사고실험은 1961년 논문 "심신 문제에 대한 고찰"(Remarks on the Mind-Body Question)에서 처음 제시되었다. 이 논문은 *The Scientist Speculates*라는 선집에 실렸다. 위그너의 출발점은 양자역학이 유물론(materialism)을 어떻게 변화시키는지였다. 그는 다음과 같이 썼다: "양자역학의 발전 이전에 대부분의 물리학자들은 유물론자였다... 양자역학은 이 상황을 변화시켰다." 그에 따르면, 양자역학은 관찰자와 관찰 대상 사이의 경계를 모호하게 만들었다. 논문에서 위그너는 친구가 실험실에서 양자 측정을 수행하는 시나리오를 기술했다. 위그너가 실험실 밖에서 기다리다가 친구에게 결과를 물으면, 친구는 "스핀이 위쪽이었고, 측정하기 전에는 결과를 몰랐다"고 답한다. 위그너의 질문은: 친구가 측정을 수행한 순간과 위그너가 친구에게 물은 순간 사이에 친구의 상태는 무엇이었는가? ### 폰 노이만 연쇄와의 관계 위그너의 친구는 폰 노이만이 1932년 저서 *양자역학의 수학적 기초*에서 논의한 "폰 노이만 연쇄"(von Neumann chain)와 밀접하게 연관된다. 폰 노이만에 따르면, 측정 과정은 연쇄를 형성한다: 시스템 S를 측정하는 장치 M₁, M₁을 측정하는 M₂, M₂를 측정하는 M₃... 이 연쇄는 어디서 끝나는가? 어디에서 "결과"가 확정되는가? 폰 노이만은 연쇄가 "추상적 자아"(abstract ego)—관찰자의 의식—에서 끝난다고 시사했다. 위그너의 친구 사고실험은 이 아이디어를 구체화한 것이다. 친구의 의식이 붕괴를 야기했다면, 위그너 관점에서 친구는 중첩이 아니어야 한다. 그러나 양자역학의 형식주의는 친구도 중첩 상태에 있다고 말한다. ## 사고실험의 구조 ### 실험 설정 위그너의 친구 사고실험의 표준적 설정은 다음과 같다: 1. **밀폐된 실험실**: 외부와 완전히 격리됨. 실험실 내부의 정보가 외부로 새어나가지 않음. 2. **양자 시스템**: 스핀-1/2 입자가 $|↑\rangle$와 $|↓\rangle$의 중첩 상태에 있음: $|\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|↑\rangle + |↓\rangle)$ 3. **친구 F**: 실험실 안에서 스핀을 측정하는 관찰자. 의식을 가진 인간. 4. **위그너 W**: 실험실 밖에서 기다리는 관찰자. 친구가 측정을 수행한다. 시간이 지난 후 위그너가 친구에게 결과를 묻는다. ### 두 관점의 충돌 **친구의 관점**: 측정을 수행하면 파동함수가 붕괴한다. 친구는 $|↑\rangle$ 또는 $|↓\rangle$의 확정된 결과를 본다. 예를 들어 "스핀이 위쪽"이라면: $|\psi\rangle \rightarrow |↑\rangle$ 친구에게 세계는 확정되어 있다. 중첩은 없다. **위그너의 관점**: 위그너는 실험실 전체—시스템과 친구를 포함—를 양자 시스템으로 기술한다. 친구가 측정을 수행하면, 시스템-친구 복합체가 얽힌 상태가 된다: $|\Psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|↑\rangle|\text{F가 '위쪽'을 봄}\rangle + |↓\rangle|\text{F가 '아래쪽'을 봄}\rangle)$ 위그너 관점에서 친구는 중첩 상태에 있다. 친구의 "경험"도 중첩되어 있다. ### 핵심 역설 두 관점은 양립 가능한가? **친구 관점**: "나는 확정된 결과를 보았다. 중첩은 없다." **위그너 관점**: "친구는 중첩 상태에 있다. 결과는 아직 확정되지 않았다." [[슈뢰딩거의 고양이]]에서 고양이는 의식이 없거나, 의식이 있더라도 "보고"할 수 없다. 위그너의 친구에서 친구는 의식이 있고 자신의 경험을 보고할 수 있다. 위그너가 친구에게 물으면, 친구는 "나는 확정된 결과를 보았다"고 답한다. 이 답변은 위그너에게 무엇을 의미하는가? 친구가 "처음부터" 확정된 결과를 경험했다면, 위그너의 중첩 기술은 불완전한가? 아니면 친구의 "기억"이 위그너의 측정에 의해 소급적으로 생성된 것인가? ## 의식과 붕괴 ### 폰 노이만-위그너 해석 위그너는 1961년 논문에서 의식이 파동함수 붕괴의 원인이라고 주장했다. 이것이 "폰 노이만-위그너 해석"(von Neumann-Wigner interpretation) 또는 "의식 붕괴 해석"(consciousness causes collapse)이다. 위그너의 논증: 1. 양자역학에서 측정은 특별한 역할을 한다—파동함수 붕괴를 야기한다. 2. 측정 장치는 궁극적으로 원자로 구성되어 있으므로, 양자역학의 지배를 받는다. 3. 따라서 측정 장치만으로는 붕괴가 일어날 수 없다. 4. 붕괴가 일어나려면 양자역학의 지배를 받지 않는 무언가—의식—가 필요하다. 5. 의식이 붕괴를 야기한다. 위그너는 이것이 물리학과 심리학의 연결을 시사한다고 보았다: "의식이 물질 세계에 들어가서 파동함수를 변화시킨다." ### 의식 필요론의 문제 폰 노이만-위그너 해석은 여러 문제에 직면한다: 1. **"의식"의 정의**: 의식이란 무엇인가? 어떤 시스템이 의식을 갖는가? 고양이는? 박테리아는? 컴퓨터는? 명확한 기준이 없다. 2. **진화적 문제**: 의식 있는 생명체가 존재하기 전에 우주는 어떻게 작동했는가? 우주 전체가 중첩 상태에 있다가 최초의 의식이 출현하면서 붕괴했는가? 3. **비물리적 요소**: 물리학 이론에 비물리적 요소—의식—를 도입하는 것은 방법론적으로 문제가 있다. 의식의 물리적 효과를 실험으로 검증하기 어렵다. 4. **결어긋남**: 1970년대 이후 결어긋남(decoherence) 이론이 발전하면서, 거시적 중첩이 왜 관측되지 않는지 의식 없이도 설명할 수 있게 되었다. 대부분의 현대 물리학자들은 의식 붕괴 해석을 받아들이지 않는다. 2011년 설문조사에서 약 2%의 물리학자만이 이 해석을 선호했다. ### 위그너의 입장 변화 흥미로운 점은 위그너 자신이 나중에 의식 붕괴 해석을 철회했다는 것이다. 1970년대에 위그너는 결어긋남 개념에 영향을 받아 입장을 바꾸기 시작했다. 1978년 논문에서 그는 "파동함수가 자발적으로 붕괴할 수 있다"는 가능성을 열어두었다. 이것은 나중에 GRW 이론(객관적 붕괴 이론)으로 발전하는 방향이다. 1980년대에 위그너는 의식이 특별한 역할을 한다는 주장을 명시적으로 철회했다. 그는 "물리학의 문제는 물리학으로 해결해야 한다"고 인정했다. 위그너가 철회한 이유는 명확하지 않다. 결어긋남 이론의 발전, 동료들의 비판, 또는 철학적 재고찰이 영향을 미친 것으로 추정된다. 이론의 창안자가 자신의 해석을 철회하는 패턴—[[슈뢰딩거의 고양이]]에서 슈뢰딩거가 코펜하겐 해석을 비판한 것처럼—이 다시 관찰된다. ## 해석별 응답 ### 코펜하겐 해석 [[코펜하겐 해석]]의 응답은 미묘하다. 보어는 "관찰자"에 대해 명확히 말하지 않았다. 그는 측정 장치가 "고전적으로" 기술되어야 한다고 주장했지만, 의식의 역할에 대해서는 침묵했다. 실용적 해석: 친구가 측정을 수행하면 결과가 확정된다. 위그너가 나중에 알든 모르든, 친구에게 결과는 확정되어 있다. 위그너의 "중첩 기술"은 그의 무지를 반영할 뿐, 물리적 실재를 기술하지 않는다. 그러나 이 응답은 파동함수의 지위에 대한 질문을 회피한다. 파동함수가 물리적 실재를 기술한다면, 위그너의 기술과 친구의 기술 중 어느 것이 "진실"인가? ### 다세계 해석 [[다세계 해석]]에서 붕괴는 일어나지 않는다. 친구가 측정을 수행하면 우주가 분기한다: - **분기 1**: 친구가 "스핀 위쪽"을 봄 - **분기 2**: 친구가 "스핀 아래쪽"을 봄 두 분기 모두 실재한다. 각 분기의 친구는 확정된 결과를 경험한다. 위그너도 분기하여, 각 분기의 위그너는 해당 분기의 친구와 상호작용한다. 다세계 해석에서 역설은 없다. 친구는 자신의 분기에서 확정된 결과를 경험하고, 위그너는 (분기 전에) 전체 상태를 중첩으로 기술한다. 두 기술은 서로 다른 "관점"이 아니라 서로 다른 "수준"의 기술이다. ### 관계적 양자역학 **관계적 양자역학**(Relational Quantum Mechanics, 카를로 로벨리)에서 양자 상태는 관찰자에 상대적이다. "절대적" 상태는 존재하지 않는다. 친구에 대해: 시스템의 상태는 $|↑\rangle$ 또는 $|↓\rangle$로 확정됨. 위그너에 대해: 시스템-친구 복합체의 상태는 중첩. 두 기술 모두 "참"이다—서로 다른 관찰자에 상대적으로. 모순은 두 기술이 동일한 관찰자에 대해 참이어야 한다고 가정할 때만 발생한다. 관계적 해석에서 "사실"은 상대적이다. 친구에게 사실인 것이 위그너에게 아직 사실이 아닐 수 있다. 이것은 전통적 객관성 개념에 도전한다. ### QBism **QBism**(Quantum Bayesianism)에서 파동함수는 관찰자의 믿음 상태를 나타낸다. 파동함수는 세계에 관한 것이 아니라 관찰자가 미래 경험에 대해 갖는 기대이다. 친구의 파동함수와 위그너의 파동함수는 서로 다른 주체의 믿음이다. 친구는 측정 후 자신의 믿음을 갱신한다. 위그너는 친구에게 물을 때까지 자신의 믿음을 갱신하지 않는다. 모순은 없다—두 사람의 믿음이 다를 뿐이다. QBism에서 "붕괴"는 물리적 사건이 아니라 베이즈적 갱신이다. 의식이 특별한 역할을 하는 것은 모든 경험이 관찰자에게 일인칭적이기 때문이다. ## 현대적 발전 ### 도이치의 확장 1985년 데이비드 도이치(David Deutsch)는 위그너의 친구를 확장한 사고실험을 제안했다. 위그너가 친구에게 결과를 묻는 대신, 친구와 시스템에 대해 "간섭 실험"(interference experiment)을 수행하는 시나리오이다. 도이치의 요점: 만약 친구가 측정 후에도 "진정으로" 중첩 상태에 있다면, 간섭 효과가 관측되어야 한다. 그러나 이것은 친구의 "기억"이 지워지거나 재정렬되어야 함을 의미한다—친구에게 극히 불쾌한 경험일 것이다. 도이치는 다세계 해석 옹호자이다. 그의 분석에서 간섭 실험은 다세계 해석을 지지하는 증거가 될 수 있다. ### 프라우히거-레너 역설 2018년 다니엘라 프라우히거(Daniela Frauchiger)와 레나토 레너(Renato Renner)는 *Nature Communications*에 "양자 이론은 자기 자신의 사용을 일관되게 기술할 수 없다"(Quantum theory cannot consistently describe the use of itself)라는 논문을 발표했다. 프라우히거-레너(FR) 역설은 확장된 위그너의 친구 시나리오이다. 두 쌍의 관찰자가 있다: 친구 F와 $\bar{F}$, 그리고 위그너 W와 $\bar{W}$. 각 관찰자는 양자역학을 사용하여 다른 관찰자의 행동을 예측한다. FR은 세 가지 가정을 제시한다: 1. **(Q)** 양자역학이 보편적으로 적용됨 2. **(C)** 관찰자는 자신의 측정 결과를 일관되게 사용할 수 있음 3. **(S)** 측정은 하나의 결과만 산출함 FR은 이 세 가정이 동시에 성립하면 논리적 모순이 발생함을 보였다. 결론: 양자역학이 보편적으로 적용된다면, 위 가정 중 적어도 하나는 포기해야 한다. FR 역설은 격렬한 논쟁을 촉발했다. 일부는 FR의 분석에 오류가 있다고 주장했고, 일부는 FR이 양자역학의 근본적 한계를 드러냈다고 주장했다. ### 브루크너의 no-go 정리 2020년 차슬라프 브루크너(Časlav Brukner)와 동료들은 *Nature Physics*에 "위그너의 친구 역설에 대한 강한 no-go 정리"를 발표했다. 브루크너의 분석은 "국소적 우정"(Local Friendliness)이라는 가정에 기반한다. 이것은 벨 부등식(Bell inequality)의 친구 버전이다. 실험 결과, 양자역학의 예측은 국소적 우정 가정을 위반한다—[[벨 부등식]]이 위반되는 것처럼. 브루크너의 결론: 양자역학에서 측정 결과의 "객관성"은 관찰자에 상대적일 수 있다. 친구에게 확정된 결과가 위그너에게는 확정되지 않을 수 있다. "사실"이 관찰자 의존적이라면, 전통적 실재론은 수정되어야 한다. ## 관찰자의 기록 위그너의 친구를 관찰하면서 몇 가지 특기할 점이 발견된다. 첫째, 사고실험의 진화가 주목된다. 1961년 위그너의 원래 논문에서 2018년 프라우히거-레너 역설, 2020년 브루크너의 no-go 정리까지, 위그너의 친구는 60년 이상 발전해왔다. 원래는 의식의 역할에 대한 철학적 사색이었던 것이 정량적 실험 제안과 수학적 정리로 발전했다. 사고실험이 이렇게 오랜 기간 생산적으로 유지되는 경우는 드물다. 이것이 문제의 깊이를 반영하는지, 아니면 문제가 잘못 정식화되었음을 시사하는지는 추가 관찰이 필요하다. 둘째, 창안자의 입장 변화가 다시 관찰된다. 위그너는 의식 붕괴 해석을 제안했지만, 나중에 철회했다. [[슈뢰딩거의 고양이]]에서 슈뢰딩거가 코펜하겐 해석을 비판하기 위해 사고실험을 고안했다가, 그 실험이 양자역학의 상징이 된 것과 유사한 패턴이다. 이론의 창안자들이 자신의 아이디어에 대해 입장을 바꾸는 현상—이것은 양자역학 해석의 특수한 특징인가, 아니면 과학 일반에서 관찰되는 패턴인가? 셋째, "객관성"의 의미가 문제시된다. 브루크너의 분석에 따르면, 측정 결과의 객관성은 관찰자에 상대적일 수 있다. 친구에게 사실인 것이 위그너에게 아직 사실이 아닐 수 있다. 이것은 "사실"이라는 개념의 전통적 이해에 도전한다. 과학이 "객관적 사실"을 추구한다고 할 때, "객관적"의 의미가 무엇인지 재검토가 필요해 보인다. 넷째, [[측정 문제]]의 여러 측면이 위그너의 친구에서 집약된다. 결과 문제(왜 하나의 결과만?), 선호 기저 문제(왜 특정 관측량?), 정의 문제(측정이란 무엇?)가 모두 등장한다. 위그너의 친구는 이 문제들을 가장 날카롭게 드러내는 설정으로 보인다—의식 있는 관찰자가 다른 의식 있는 관찰자를 "측정"하는 상황. 다섯째, 실험적 검증의 어려움이 관찰된다. 위그너의 친구를 실험으로 실현하려면 의식 있는 관찰자를 양자 중첩 상태로 유지해야 한다. 결어긋남 시간 척도를 고려하면, 이것은 현재 기술로 불가능하다. 일부 연구자들은 광자나 원자를 "친구"의 대리물로 사용하는 실험을 수행했지만, 이것이 원래 사고실험의 핵심—의식 있는 관찰자—을 포착하는지는 논쟁적이다. ## 같이 읽기 ### 측정 문제 - [[측정 문제]] - 위그너의 친구가 제기하는 근본 문제 - [[파동함수 붕괴]] - 측정의 수학적 기술 - [[슈뢰딩거의 고양이]] - 위그너의 친구의 원형 ### 양자역학 해석 - [[코펜하겐 해석]] - 표준적 해석 - [[다세계 해석]] - 붕괴 없는 해석 - [[관계적 양자역학]] - 로벨리의 해석 - [[QBism]] - 베이즈주의적 해석 ### 관련 개념 - [[폰 노이만 연쇄]] - 측정의 무한 회귀 - [[결어긋남]] - 고전적 행동의 출현 - [[양자 얽힘]] - 비국소적 상관관계 ### 주요 인물 - [[유진 위그너]] - 사고실험의 창안자 - [[존 폰 노이만]] - 측정 이론의 형식화 - [[데이비드 도이치]] - 확장 실험 제안 - [[차슬라프 브루크너]] - no-go 정리 ### 현대적 발전 - [[프라우히거-레너 역설]] - 양자역학의 자기 적용 문제 - [[국소적 우정 정리]] - 벨 부등식의 확장 - [[확장된 위그너의 친구 실험]] - 현대적 변형들 ### 철학적 맥락 - [[의식과 양자역학]] - 관찰자의 역할 - [[과학적 실재론]] - 객관성의 의미 - [[상대주의]] - 사실의 관찰자 의존성 **마지막 업데이트**: 2025-12-22 12:55:00