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인간은 광자 하나를 느낄 수 있는 것으로 보입니다. 이 실험은 ‘인간 시력의 한계가 어디 까지인가’라는 70여년 된 질문에 대한 답이 될지도 모릅니다.

이 연구는 19일 네이처 커뮤니케이션지에 실렸습니다. UIUC에서 양자광학을 연구하는 폴 퀴앗은 “인간이 하나의 광자를 느길 수 있는가 하는 오래된 질문에 마침내 그렇다는 답을 찾은 것이다” 고 말했습니다. 그는 이 실험에 사용된 기술을 빛의 양자적 성질이 생명체에 미치는 영향 등을 실험할 때 사용할 수 있을 것이라고 덧붙였습니다.

“가장 놀라운 것은 광자 하나를 볼 때의 느낌은 어떤 빛을 보는 느낌이 아니라는 것입니다. 그것은 어떤 상상의 언저리에 있는 작은 느낌에 가깝습니다.” 이번 연구를 이끌었고 본인 역시 실험에 참가했던 뉴욕 록펠러 대학의 물리학자 알리파샤 바지리의 말입니다.

개구리의 세포를 이용한 실험에서 이미 척추동물의 눈에 있는 간상세포(rod cell)가 광자 하나에 대해 반응한다는 것은 밝혀진 바 있습니다. 그러나 망막에서 잡음 신호 감소를 위한 정보 처리가 일어나기 때문에 연구자들은 간상세포 하나의 신호가 뇌로 전송될 수 있을 지는 확신하지 못하고 있었습니다. 또한 뇌에 그 신호가 도달된다 하더라도 사람이 이를 의식할 수 있을 지도 알 수 없었습니다. 따라서 인간이 정말 광자 하나를 감지할 수 있는 지를 실험으로 확인하기 위해서는 안정적으로 광자를 한 번에 하나 씩 방출할 수 있는 양자광학 기술이 준비될 때 까지 기다릴 수 밖에 없었습니다.

2015년 6월, 퀴앗의 동료인 물리학자 레베카 홉스는 인간이 광자 셋으로 이루어진 빛을 감지할 수 있다고 발표했지만, 퀴앗은 또한 이들의 논문이 아직 출간되지 못했다고 말했습니다. 그러나 그들 역시 광자 하나에 대한 실험은 아직 진행하지 못하고 있었습니다.

바지리는 세 명의 참가자를 약 40분 동안 완전한 암흑에 둔 뒤 실험을 시작했습니다. 참가자가 버튼을 누르면, 1초 간격으로 두 번의 소리가 울리면서, 때로 두 소리 중 한 번의 소리와 함께 광자 하나가 발사되었습니다. 참가자들은 자신이 광자를 보았다고 생각되면 이를 말했으며 얼마나 이를 확신하는지 역시 3단계로 표현했습니다.

많은 경우 이들은 틀렸습니다. 이는 장비를 떠난 광자의 90%가 눈의 다른 부분에 흡수되거나 반사되어 간상세포에 도달하지 못한다는 점에서 충분히 예상된 결과였습니다. 그러나 참가자들은 무작위보다 분명히 높은 확률로 광자의 존재를 맞추었으며, 그들이 답을 맞추었을 때 확신의 정도 역시 더 높았습니다.

이들 세 명은 모두 합해 2,400 번의 광자 하나를 겪었으며 (광자가 발사되지 않은 횟수는 훨씬 더 많습니다.) 이는 이들이 광자 하나를 느낄 수 있었다는 주장의 통계적 확실성을 더해 준다고 연구자들은 말합니다.

그러나 모든 과학자들이 이 연구가 최종적인 것이라 생각하는 것은 아닙니다. “내가 우려하는 것은 이 실험에 참가한 이가 단 세 명 뿐이라는 것입니다.” 싱가폴 과학기술연구소의 레오니드 크리비츠키의 말입니다. 그는 이들이 모두 남자였으며 남자와 여자의 생리적 시각 구조는 미묘하게 다른 것으로 알려져 있다고 지적했습니다. 그러나 크리비츠키는 이들의 실험 방법이 이들이 더 많은 참가자들을 대상으로 한다면 그 문제를 해결할 수 있는 방법이라는데 동의했습니다.

바리지는 다양한 양자상태, 특히 두 상태의 중첩과 같은 양자 상태의 광자에 눈이 어떻게 반응하는지를 실험할 계획이라고 밝혔습니다. 어떤 물리학자들은 그런 실험을 통해 두 상태의 중첩이 과연 한 사람의 시각 시스템안에서 유지되는지, 나아가 뇌에서 인식될 수 있는지를 알 수 있을 것이라고 주장합니다.

(네이처)

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